Produksi Beta-Glukan Schizophyllan dengan Kemurnian Tinggi Menggunakan Ultrasonik

Schizophyllan adalah β-glukan dari jamur yang memiliki sifat imunomodulator. Untuk menghasilkan efek pengobatan yang sangat aktif, schizophyllan harus memiliki berat molekul rendah agar menunjukkan bioavailabilitas yang lebih baik. Ultrasonikasi telah terbukti menurunkan berat molekul schizophyllan. Sebagai metode yang andal dan efektif, sonikasi dapat dengan mudah diterapkan untuk memproduksi schizophyllan dengan berat molekul rendah.

Jamur Schizophyllum dan Ekstraksi Beta-Glukan dengan Ultrasonik

Spesies jamur Schizophyllum tumbuh secara alami pada pohon yang membusuk setelah musim hujan. Tubuh buahnya dikumpulkan pada musim kemarau berikutnya. Spesies Schizophyllum kaya akan senyawa biokimia seperti glukan sehingga dikonsumsi sebagai pangan dan obat, terutama di negara-negara tropis. Karena sifat imunomodulator, antijamur, antineoplastik, dan antivirusnya, Schizophyllum commune, yang juga dikenal sebagai jamur belah, telah menarik perhatian perusahaan bioteknologi dan farmasi.
Polisakarida schizophyllan, yang juga dikenal sebagai sizofiran, sonifilan, atau sizofilan, merupakan β-glukan utama yang ditemukan dalam jamur Schizophyllum, yang menyediakan β-glukan bioaktif schizophyllan yang sangat efektif.
Jamur Schizophyllum commune tumbuh secara alami pada pohon; miseliumnya juga dapat dikultur dalam kaldu fermentasi. Untuk aplikasi farmasi dan kosmetik, schizophyllan dengan berat molekul rendah jauh lebih efektif dibandingkan schizophyllan dengan berat molekul tinggi. Hal ini karena schizophyllan dengan berat molekul rendah menunjukkan bioavailabilitas dan tingkat penyerapan yang jauh lebih baik. Selain itu, schizophyllan dengan berat molekul tinggi sering menimbulkan masalah dalam aplikasi karena menghasilkan larutan berair dengan viskositas tinggi.
Pengecilan ukuran dengan ultrasonik merupakan teknik yang sangat efektif dan andal untuk menurunkan berat molekul schizophyllan, sehingga meningkatkan kualitas molekul β-glukan.

Protokol Produksi Schizophyllan dengan Berat Molekul Rendah

Karena schizophyllan dengan berat molekul menunjukkan bioavailabilitas dan sifat aplikasi yang jauh lebih baik, tim peneliti Smirnou menyelidiki ultrasonikasi untuk pemutusan dan pengecilan ukuran molekul β-glukan schizophyllan.

Ultrasonikasi Schizophyllan

β-1.3(1.6)-Glukan schizophyllan (SPG) diproduksi melalui kultivasi terendam jamur S. commune dalam bioreaktor menggunakan sukrosa sebagai substrat.
Setelah kultivasi selesai, kaldu kultur diencerkan dengan air demineralisasi hingga konsentrasi schizophyllan 2 g/L dan diultrasonikasi menggunakan Prosesor Ultrasonik UIP2000hdT (Hielscher Ultrasonics GmbH, Jerman) dalam mode resirkulasi dengan parameter dan kondisi berikut: laju alir medium 50 mL/s, frekuensi 20 kHz, daya keluaran 2000 W, sonotrode tipe BS2d22, booster tipe B2-1.4, dan amplitudo 100%. Suhu kaldu kultur pada awal sonikasi adalah 25°C. Kaldu kultur yang telah diultrasonikasi (masukan energi spesifik 100 Ws/mL) disaring melalui filter kedalaman Seitz HS800 pada tekanan 1,5 bar dan suhu 40°C. Schizophyllan yang telah diultrasonikasi (uSPG) untuk karakterisasi kimia diendapkan dari filtrat dengan isopropil alkohol sebanyak tiga kali lipat pada suhu laboratorium, lalu dikeringkan pada 60°C selama 12h. Larutan uSPG untuk studi imunologi disiapkan sebagai berikut: (1) filtrat kaldu kultur yang telah diultrasonikasi didiafiltrasi melalui kaset PES Pall Centramate T-series seluas 0,1m2 (batas pemisahan 100 kDa) pada 0,8 bar dan diafiltrasi dilanjutkan hingga konduktivitas retentat mencapai 20 μS/cm; (2) larutan dipekatkan melalui diafiltrasi hingga konsentrasi uSPG 1 g/L dan disterilkan dengan autoklaf pada 120°C/20 min. uSPG terdenaturasi disiapkan dengan cara serupa, tetapi NaOH ditambahkan ke filtrat kaldu kultur pada konsentrasi 0,2 M dan larutan yang dibasakan diinkubasi selama 30 min pada suhu laboratorium sebelum diafiltrasi.

Metode analisis

Rendemen miselium diperkirakan secara gravimetri: kaldu kultur diencerkan dengan air 1:4, disentrifugasi pada 10.000 × g pada 25°C selama 20 min, endapannya dicuci dengan air sebanyak tiga kali lipat, dikeringkan pada 60°C, dan ditimbang. Schizophyllan diendapkan dari supernatan dengan isopropil alkohol sebanyak tiga kali lipat, dikeringkan pada 60°C selama 24h, dan rendemennya ditentukan secara gravimetri. pO2 dalam kaldu kultur diukur menggunakan probe optik Hamilton-Visiferm DO 120 (Hamilton, Swiss).
Viskositas dinamis kaldu kultur diukur menggunakan HAAKE Visco Tester 6L dengan spindel 1L dan 2L pada 4°C dan kecepatan putar 30 rpm. Kecepatan filtrasi dihitung dari waktu filtrasi 500 mL kaldu kultur melalui filter kedalaman Seitz HS800 (Pall, AS) berukuran 200 × 200 mm pada tekanan 1,5 bar dan suhu 40°C.
Berat molekul uSPG diukur dengan SEC-MALLS pada sistem HPLC Alliance (Waters) dengan kolom PL aquagel OH60 dan PL aquagel OH40 yang dihubungkan secara seri, dan detektor miniDAWN TREOS (Wyatt) dipekatkan melalui diafiltrasi hingga konsentrasi uSPG 1 g/L dan disterilkan dengan autoklaf pada 120°C/20 min. uSPG terdenaturasi disiapkan dengan cara serupa, tetapi NaOH ditambahkan ke filtrat kaldu kultur pada konsentrasi 0,2 M dan larutan yang dibasakan diinkubasi selama 30 min pada suhu laboratorium sebelum diafiltrasi.

Hasil:
Perlakuan ultrasonikasi diterapkan langsung pada kaldu kultur S. commune berumur 144 jam yang mengandung miselium untuk memudahkan pemrosesan hilir SPG.
 
Karakteristik Schizophyllan yang Disonikasi: Schizophyllan yang telah diultrasonikasi (uSPG) diendapkan dari filtrat kaldu kultur dengan alkohol dan dikarakterisasi. SEC-MALLS memperkirakan Mw uSPG sekitar 1 MDa. Berat molekul rata-rata schizophyllan dari fermentasi cair adalah sekitar 5 MDa, sedangkan dalam kultivasi pada substrat padat dapat mencapai 10 MDa. Perbandingan berat molekul schizophyllan yang diultrasonikasi dengan berat molekul schizophyllan asli tanpa perlakuan menunjukkan penurunan berat molekul sebesar 5 hingga 10 kali lipat akibat ultrasonikasi.
Polisakarida uSPG yang disonikasi mengandung protein 0,7%w/w dan residu setelah pemijaran 1,0%w/w. Hidrolisat uSPG terdiri dari lebih dari 99% glukosa. Hasil analisis menunjukkan bahwa sonikasi memutus rantai utama β-glukan secara acak, sementara cabang sampingnya tetap utuh, sehingga menurunkan ukuran dan berat molekul schizophyllan. Studi imunologi pada uSPG yang pada dasarnya bebas protein dan endotoksin menunjukkan bahwa schizophyllan dengan Mw rendah yang diultrasonikasi memiliki aktivitas imunomodulator yang nyata.

 
Penurunan Viskositas: Ultrasonikasi menghasilkan penurunan viskositas kaldu kultur yang signifikan. Selama ultrasonikasi, viskositas kaldu kultur berubah secara nonlinier: penurunan viskositas berlangsung cepat pada awal ultrasonikasi, tetapi kemudian melambat. Masukan energi spesifik 100 Ws/mL cukup untuk menurunkan viskositas kaldu kultur hampir 7 kali lipat.

Peningkatan Filtrasi: Kaldu kultur yang diberi perlakuan ultrasonik mengalir melalui filter lebih cepat dibandingkan kaldu kultur tanpa perlakuan (masukan energi spesifik 0 Ws/mL) yang mengandung SPG dengan berat molekul tinggi. Selain itu, ultrasonikasi secara signifikan mengurangi kehilangan produk selama filtrasi. Filtrat kaldu kultur tanpa perlakuan yang mengandung SPG dengan berat molekul tinggi (masukan energi spesifik 0 Ws/mL) mengandung SPG sebesar 0,3 ± 0,07 g/L, sedangkan konsentrasi SPG sebelum filtrasi kedalaman adalah 2 g/L. Sebaliknya, filtrat kaldu kultur yang diultrasonikasi pada 100 Ws/mL mengandung SPG pada konsentrasi 2,2 ± 0,2 g/L, yang setara dengan kehilangan produk hampir nol.

Kesimpulan: Dalam kesimpulannya, tim peneliti merangkum bahwa pemrosesan ultrasonik merupakan teknologi yang efisien untuk memproduksi schizophyllan dengan berat molekul rendah, yang kemudian dapat digunakan dalam kosmetik dan obat-obatan. Ultrasonikasi, ketika diterapkan pada seluruh kaldu kultur yang mengandung miselium, memberikan keuntungan tertentu bagi produksi schizophyllan. Metode ini mengurangi kehilangan produk selama pemrosesan hilir dan memungkinkan produksi polisakarida dengan kemurnian tinggi berkat penggunaan ultrafiltrasi yang efisien.
Selain itu, para peneliti menemukan bahwa pemrosesan ultrasonik schizophyllan mudah ditingkatkan skalanya. Satu unit disintegrator ultrasonik UIP2000hdT pada instalasi percontohan memproses 1 Liter kaldu kultur dalam 110 s pada mode alir. Produktivitas sistem dapat ditingkatkan dengan mudah melalui penyambungan unit ultrasonik tambahan secara berurutan.

 
Baca selengkapnya tentang peningkatan skala ekstraksi jamur yang sederhana!
 

Peralatan Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Pemrosesan Glukan Jamur

Fragmentasi polisakarida seperti glukan serta senyawa bioaktif lainnya seperti kitin dan kitosan dapat dilakukan secara andal menggunakan peralatan ultrasonik berkinerja tinggi Hielscher. Sonikator kami dapat menghasilkan amplitudo tinggi, menawarkan pengendalian parameter proses yang presisi, serta dapat dioperasikan 24/7 dengan beban berat dan dalam lingkungan yang menuntut. Rangkaian peralatan Hielscher Ultrasonics memenuhi persyaratan ini secara andal. Selain kinerja ultrasonik yang luar biasa, sonikator Hielscher memiliki efisiensi energi tinggi, yang merupakan keuntungan ekonomi yang signifikan – terutama ketika digunakan dalam produksi komersial berskala besar.
Sonikator Hielscher adalah sistem berkinerja tinggi yang dapat dilengkapi dengan aksesori seperti sonotrode, booster, 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 maksimal dan kemudahan penggunaan terjamin. Dipadukan dengan ketangguhan dan kemampuan menanggung beban berat, sistem ultrasonik Hielscher menjadi andalan yang dapat diandalkan dalam produksi Anda.
Penurunan berat molekul β-glukan seperti schizophyllan memerlukan ultrasonik berdaya tinggi untuk memperoleh pemutusan yang ditargetkan dan produk akhir schizophyllan berkualitas tinggi yang dapat digunakan untuk aplikasi farmasi.
 
Temukan informasi lebih lanjut tentang ekstraksi beta-glukan dari jamur dengan ultrasonik, termasuk petunjuk langkah demi langkah, di sini!
 
Tabel di bawah memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: