Deasetilasi Ultrasonik Kitin menjadi Kitosan
Produksi Kitosan secara Ultrasonik
Kitosan diperoleh melalui N-deasetilasi kitin. Dalam deasetilasi konvensional, kitin direndam dalam pelarut alkali berair (biasanya NaOH 40 hingga 50% (w/w)). Proses perendaman memerlukan suhu tinggi sebesar 100 hingga 120ºC dan sangat memakan waktu, sementara rendemen kitosan yang diperoleh per tahap perendaman rendah. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi mengintensifkan proses deasetilasi kitin secara signifikan dan menghasilkan rendemen kitosan berbobot molekul rendah yang tinggi melalui perlakuan cepat pada suhu yang lebih rendah. Deasetilasi ultrasonik menghasilkan kitosan berkualitas unggul yang digunakan sebagai bahan pangan dan farmasi, sebagai pupuk, serta dalam banyak aplikasi industri lainnya.
Perlakuan ultrasonik menghasilkan derajat asetilasi (DA) kitin yang luar biasa dengan menurunkan derajat asetilasi kitin dari DA≥90 menjadi kitosan dengan DA≤10.
Banyak studi penelitian mengonfirmasi efektivitas deasetilasi ultrasonik kitin menjadi kitosan. Weiss J. et al. (2008) menemukan bahwa sonikasi meningkatkan konversi kitin menjadi kitosan secara drastis. Perlakuan ultrasonik pada kitin memberikan penghematan waktu yang signifikan dengan mengurangi waktu proses yang diperlukan dari 12–24 jam menjadi beberapa jam. Selain itu, lebih sedikit pelarut diperlukan untuk mencapai konversi penuh, sehingga mengurangi dampak lingkungan akibat pembuangan dan penanganan limbah pelarut bekas atau yang tidak bereaksi, yaitu NaOH pekat.
Deasetilasi kitin menjadi kitosan ditingkatkan melalui sonikasi
UIP4000hdT – sistem ultrasonik berdaya 4kW
Prinsip Kerja Perlakuan Ultrasonik pada Kitosan
Ultrasonikasi berdaya tinggi dan berfrekuensi rendah (∼20–26kHz) menciptakan kavitasi akustik dalam cairan dan suspensi pekat. Ultrasonik berdaya tinggi mendorong konversi kitin menjadi kitosan karena pelarut (misalnya, NaOH) memfragmentasi dan menembus partikel kitin padat, sehingga memperbesar luas permukaan dan meningkatkan perpindahan massa antara fase padat dan cair. Selain itu, gaya geser yang tinggi dari kavitasi ultrasonik menghasilkan radikal bebas yang meningkatkan reaktivitas reagen (yaitu NaOH) selama hidrolisis. Sebagai teknik pemrosesan nontermal, sonikasi mencegah degradasi termal sehingga menghasilkan kitosan berkualitas tinggi. Ultrasonik mempersingkat waktu pemrosesan yang diperlukan untuk mengekstraksi kitin dari krustasea serta menghasilkan kitin (dan selanjutnya kitosan) dengan kemurnian lebih tinggi dibandingkan dengan kondisi pemrosesan tradisional. Dengan demikian, untuk produksi kitin dan kitosan, ultrasonik berpotensi menurunkan biaya produksi, mengurangi waktu pemrosesan, memungkinkan pengendalian proses produksi yang lebih baik, dan mengurangi dampak lingkungan dari limbah proses.
- Rendemen Kitosan Lebih Tinggi
- Kualitas Unggul
- Waktu Lebih Singkat
- Suhu Proses Lebih Rendah
- Efisiensi Lebih Tinggi
- Pengoperasian Mudah & Aman
- Ramah Lingkungan
Deasetilasi Ultrasonik Kitin menjadi Kitosan – Protokol
1) Siapkan kitin:
Jika menggunakan cangkang kepiting sebagai bahan sumber, cangkang kepiting harus dicuci secara menyeluruh untuk menghilangkan semua bahan organik terlarut dan pengotor yang melekat, termasuk tanah dan protein. Setelah itu, bahan cangkang harus dikeringkan sepenuhnya (misalnya, pada 60ºC selama 24h dalam oven). Cangkang kering kemudian digiling (misalnya menggunakan penggiling palu), dideproteinasi dalam medium basa (misalnya, NaOH pada konsentrasi 0,125 hingga 5,0 M), dan didemineralisasi dalam asam (misalnya, asam klorida encer).
2) Deasetilasi Ultrasonik
Untuk menjalankan reaksi deasetilasi ultrasonik yang umum, partikel beta-kitin (0,125 mm < d < 0,250 mm) disuspensikan dalam larutan NaOH berair 40% (w/w) dengan rasio beta-kitin/larutan NaOH berair sebesar 1/10(g mL-1), suspensi dipindahkan ke gelas beker berdinding ganda dan disonikasi menggunakan homogenizer ultrasonik Hielscher UP400St . Parameter berikut (bandingkan Fiamingo et al. 2016) dijaga konstan saat menjalankan reaksi deasetilasi ultrasonik kitin: (i) probe ultrasonik (sonotrode Hielscher S24d22D, diameter ujung = 22 mm); (ii) mode pulsa sonikasi (IP = 0,5sec); (iii) intensitas permukaan ultrasonik
(I = 52,6 W cm-2), (iv) suhu reaksi (60ºC ±1ºC), (v) waktu reaksi (50 min), (vi) rasio bobot beta-kitin/volume larutan natrium hidroksida berair 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume suspensi beta-kitin (50mL).
Reaksi pertama berlangsung selama 50min dengan pengadukan magnetik konstan, kemudian dihentikan dengan mendinginkan suspensi secara cepat hingga 0ºC. Setelah itu, asam klorida encer ditambahkan untuk mencapai pH 8,5 dan sampel CHs1 diisolasi melalui filtrasi, dicuci secara menyeluruh dengan air deionisasi, dan dikeringkan pada kondisi lingkungan. Ketika deasetilasi ultrasonik yang sama diulangi sebagai tahap kedua pada CHs1, diperoleh sampel CHs2.
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)
Fiamingo et al. menemukan bahwa deasetilasi ultrasonik beta-kitin secara efisien menghasilkan kitosan berbobot molekul tinggi dengan derajat asetilasi rendah tanpa menggunakan aditif, atmosfer inert, ataupun waktu reaksi yang lama. Hal ini tercapai meskipun reaksi deasetilasi ultrasonik dilakukan dalam kondisi yang lebih ringan – yaitu suhu reaksi rendah dibandingkan dengan sebagian besar proses deasetilasi termokimia. Deasetilasi ultrasonik beta-kitin memungkinkan pembuatan kitosan yang terdeasetilasi secara acak dengan derajat asetilasi yang bervariasi (4% ≤ DA ≤ 37%), bobot molekul rata-rata bobot yang tinggi (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) dan dispersitas rendah (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) dengan menjalankan tiga reaksi berturut-turut (50 min/tahap) pada 60ºC.
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dari skala laboratorium hingga skala percontohan dan industri.
Sistem Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Produksi Kitosan
Fragmentasi kitin dan deasetilasi kitin menjadi kitosan memerlukan peralatan ultrasonik yang bertenaga dan andal, mampu menghasilkan amplitudo tinggi, menawarkan kendali presisi atas parameter proses, serta dapat dioperasikan 24/7 pada beban berat dan dalam lingkungan dengan tuntutan operasional tinggi. Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics memenuhi kebutuhan Anda dan persyaratan proses Anda. Sonikator Hielscher merupakan sistem berkinerja tinggi yang dapat dilengkapi dengan aksesori seperti sonotrode, penguat amplitudo, reaktor, atau sel alir agar sesuai dengan kebutuhan proses Anda secara optimal.
Dengan layar warna digital, opsi untuk mengatur siklus sonikasi sebelumnya, perekaman data otomatis pada kartu SD terintegrasi, kendali jarak jauh melalui peramban, dan banyak fitur lainnya, kendali proses tingkat tertinggi dan kemudahan penggunaan terjamin. Dipadukan dengan ketangguhan dan kemampuan menanggung beban berat, sistem ultrasonik Hielscher menjadi andalan Anda yang dapat dipercaya dalam produksi.
Fragmentasi dan deasetilasi kitin memerlukan ultrasonik yang bertenaga untuk mencapai konversi yang ditargetkan dan produk akhir kitosan berkualitas tinggi. Khususnya untuk fragmentasi serpihan kitin, 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 secara kontinu dalam pengoperasian 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat sesuai kebutuhan. Kapasitas daya sistem ultrasonik Hielscher memungkinkan deasetilasi yang efisien dan cepat melalui proses yang aman dan mudah digunakan.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | gabungan unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Literatur/referensi
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Film Bionanokomposit Berbasis Kitosan yang Dibuat dengan Teknik Emulsi untuk Pengawetan Pangan. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Kitosan berbobot molekul tinggi dengan tingkat deasetilasi ekstensif dari deasetilasi beta-kitin bertahap dengan bantuan ultrasonik. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Konversi Kitin menjadi Kitosan dengan Bantuan Sonokimia, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 Juni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Pengaruh suhu selama deasetilasi kitin menjadi kitosan dengan ultrasonik berintensitas tinggi sebagai praperlakuan, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 Juni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Pengaruh ultrasonik berintensitas tinggi untuk mempercepat konversi kitin menjadi kitosan, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 Juni, 95-17.
- Preto M.F., Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino I.C., Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero A.F., Bordon I.C. (2017): Gladius dan turunannya sebagai biosorben potensial untuk minyak diesel kapal. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22.932–22.939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metode pembuatan nanopartikel dan nanoserat kitosan dengan pendekatan dari atas ke bawah. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Penurunan bobot molekul kitosan secara efisien dengan ultrasonik berintensitas tinggi: Mekanisme yang mendasari dan pengaruh parameter pemrosesan. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Limbah hasil laut: sumber untuk pembuatan bahan kitin/kitosan yang dapat digunakan secara komersial. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Fakta yang Perlu Diketahui
Bagaimana Deasetilasi Ultrasonik Kitin Bekerja?
Ketika ultrasonik berdaya tinggi dan berfrekuensi rendah (misalnya, 20–26kHz) dikopel ke dalam cairan atau suspensi pekat, siklus tekanan tinggi / tekanan rendah secara bergantian diterapkan pada cairan sehingga menciptakan kompresi dan rarefaksi. Selama siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang bergantian ini, terbentuk gelembung vakum kecil yang membesar selama beberapa siklus tekanan. Ketika gelembung vakum tidak dapat menyerap energi lagi, gelembung tersebut runtuh dengan dahsyat. Selama implosi gelembung ini, terjadi kondisi lokal yang sangat intens: suhu tinggi hingga 5000K, tekanan hingga 2000atm, laju pemanasan/pendinginan yang sangat tinggi, dan perbedaan tekanan. Karena dinamika keruntuhan gelembung lebih cepat daripada perpindahan massa dan panas, energi dalam rongga yang runtuh terkurung dalam zona yang sangat kecil, yang juga disebut “titik panas”. Implosi gelembung kavitasi juga menghasilkan mikroturbulensi, pancaran cairan dengan kecepatan hingga 280m/s, dan gaya geser yang dihasilkannya. Fenomena ini dikenal sebagai kavitasi ultrasonik atau akustik.
Tetesan dan partikel dalam cairan yang disonikasi terkena gaya kavitasi tersebut, dan ketika partikel yang dipercepat saling bertumbukan, partikel tersebut pecah akibat tumbukan antarpartikel. Kavitasi akustik merupakan prinsip kerja penggilingan, pendispersian, pengemulsian, dan sonokimia ultrasonik.
Untuk deasetilasi kitin, ultrasonik berintensitas tinggi meningkatkan luas permukaan dengan mengaktifkan permukaan dan mendorong perpindahan massa antara partikel dan reagen.
Kitosan
Kitosan adalah polimer karbohidrat termodifikasi, kationik, dan tidak beracun dengan struktur kimia kompleks yang terbentuk dari unit β-(1,4) glukosamina sebagai komponen utamanya (>80%) dan unit N-asetil glukosamina (<20%), yang terdistribusi secara acak di sepanjang rantai. Kitosan diturunkan dari kitin melalui deasetilasi kimiawi atau enzimatik. Derajat deasetilasi (DA) menentukan kandungan gugus amino bebas dalam struktur dan digunakan untuk membedakan kitin dan kitosan. Kitosan menunjukkan kelarutan yang baik dalam pelarut berkekuatan sedang seperti asam asetat encer dan menyediakan beberapa gugus amina bebas sebagai situs aktif. Hal ini membuat kitosan lebih menguntungkan dibandingkan kitin dalam banyak reaksi kimia.
Kitosan dihargai karena biokompatibilitas dan biodegradabilitasnya yang sangat baik, sifatnya yang tidak beracun, aktivitas antimikroba yang baik (terhadap bakteri dan jamur), sifat kedap oksigen, dan kemampuan membentuk film. Berbeda dengan kitin, kitosan memiliki keunggulan berupa kelarutan dalam air sehingga lebih mudah ditangani dan digunakan dalam formulasi.
Sebagai polisakarida paling melimpah kedua setelah selulosa, kelimpahan kitin yang sangat besar menjadikannya bahan baku yang murah dan berkelanjutan.
Produksi Kitosan
Kitosan diproduksi melalui proses dua tahap. Pada tahap pertama, bahan baku, seperti cangkang krustasea (yaitu udang, kepiting, lobster), dideproteinasi, didemineralisasi, dan dimurnikan untuk memperoleh kitin. Pada tahap kedua, kitin diberi perlakuan dengan basa kuat (misalnya, NaOH) untuk menghilangkan rantai samping asetil agar diperoleh kitosan. Proses produksi kitosan konvensional dikenal sangat memakan waktu dan membutuhkan biaya tinggi.
Kitin
Kitin (C8H13O5N)n adalah polimer berantai lurus dari β-1,4-N-asetilglukosamina dan diklasifikasikan menjadi α-, β-, dan γ-kitin. Sebagai turunan glukosa, kitin merupakan komponen utama eksoskeleton artropoda, seperti krustasea dan serangga, radula moluska, paruh sefalopoda, serta sisik ikan dan lissamfibia, dan juga dapat ditemukan pada dinding sel jamur. Struktur kitin sebanding dengan selulosa, membentuk nanofibril kristalin atau kristal berbentuk jarum. Selulosa adalah polisakarida paling melimpah di dunia, diikuti oleh kitin sebagai polisakarida paling melimpah kedua.
Glukosamina
Glukosamina (C6H13NO5) adalah gula amino dan prekursor penting dalam sintesis biokimia protein dan lipid terglikosilasi. Glukosamina secara alami merupakan senyawa melimpah yang menjadi bagian dari struktur kedua polisakarida, kitosan dan kitin, sehingga glukosamina menjadi salah satu monosakarida paling melimpah. Sebagian besar glukosamina yang tersedia secara komersial diproduksi melalui hidrolisis eksoskeleton krustasea, yaitu cangkang kepiting dan lobster.
Glukosamina terutama digunakan sebagai suplemen makanan dalam bentuk glukosamina sulfat, glukosamina hidroklorida, atau N-asetil glukosamina. Suplemen glukosamina sulfat diberikan secara oral untuk mengobati kondisi nyeri yang disebabkan oleh peradangan, kerusakan, dan akhirnya hilangnya tulang rawan (osteoartritis).