Herstellung von Chitin und Chitosan aus Pilzen

Die Ultraschallbehandlung ist eine hocheffiziente Methode zur Freisetzung von Chitin und Chitosan aus pilzbasierten Rohstoffen wie Speise- und Heilpilzen. Chitin und Chitosan müssen in nachgelagerten Verarbeitungsschritten depolymerisiert und deacetyliert werden, um ein hochwertiges Biopolymer zu erhalten. Die ultraschallunterstützte Depolymerisation und Deacetylierung ist ein hochwirksames, einfaches und schnelles Verfahren, das hochwertige Chitosane mit hohem Molekulargewicht und hervorragender Bioverfügbarkeit liefert.

Chitin und Chitosan aus Pilzen durch Ultraschallbehandlung

Speise- und Heilpilze wie Lentinus edodes (Shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi oder Reishi), Inonotus obliquus (Chaga), Agaricus bisporus (Champignon), Hericium erinaceus (Igelstachelbart), Cordyceps sinensis (Chinesischer Raupenpilz), Grifola frondosa (Klapperschwamm), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, Schmetterlingstramete) und viele andere Pilzarten werden häufig als Lebensmittel und zur Extraktion bioaktiver Verbindungen verwendet. Diese Pilze sowie Verarbeitungsrückstände (Pilzabfälle) können zur Herstellung von Chitosan genutzt werden. Die Ultraschallbehandlung fördert nicht nur die Freisetzung von Chitin aus der Zellwandstruktur der Pilze, sondern treibt auch die Umwandlung von Chitin in wertvolles Chitosan durch ultraschallunterstützte Depolymerisation und Deacetylierung voran.

Dieses Video demonstriert die hocheffiziente Extraktion von Igelstachelbart mit dem Hielscher UP200Ht Ultraschallhomogenisator. Die Ultraschallextraktion ist das ideale Verfahren zur Herstellung hochwertiger Vollspektrumextrakte, die Polysaccharide wie Beta-Glucane sowie Hericenone und Erinacine enthalten.

 

Eine intensive Ultraschallbehandlung mit einem Sonotrodensystem fördert die Depolymerisation und Deacetylierung von Chitin und führt so zur Bildung von Chitosan. Chitin ist ein natürlich vorkommendes Polysaccharid, das in den Exoskeletten von Krebstieren und Insekten sowie in den Zellwänden bestimmter Pilze vorkommt. Chitosan wird aus Chitin gewonnen, indem die Acetylgruppen vom Chitinmolekül entfernt werden.

Ultraschallverfahren zur Umwandlung von Pilzchitin in Chitosan

Bei der Herstellung von Chitosan aus Chitin mittels intensiver Ultraschallbehandlung wird eine Chitinsuspension mit hochintensiven, niederfrequenten Ultraschallwellen beschallt, typischerweise im Bereich von 20 kHz bis 30 kHz. Der Prozess erzeugt intensive akustische Kavitation, also die Bildung, das Wachstum und den Kollaps mikroskopisch kleiner Vakuumblasen in der Flüssigkeit. Die Kavitation erzeugt lokal extrem hohe Scherkräfte, hohe Temperaturen (bis zu mehreren tausend Grad Celsius) und Drücke (bis zu mehreren hundert Atmosphären) in der die Kavitationsblasen umgebenden Flüssigkeit. Diese extremen Bedingungen tragen zum Abbau des Chitinpolymers und zur anschließenden Deacetylierung bei.
 

 

Ultraschallgestützte Depolymerisation von Chitin

Die Depolymerisation von Chitin erfolgt durch das Zusammenwirken mechanischer Kräfte, etwa durch Mikroströmungen und Flüssigkeitsstrahlen, sowie durch ultraschallinitiierte chemische Reaktionen, die von freien Radikalen und anderen während der Kavitation gebildeten reaktiven Spezies ausgelöst werden. Die bei der Kavitation erzeugten Hochdruckwellen setzen die Chitinketten einer Scherbeanspruchung aus, wodurch das Polymer in kleinere Fragmente gespalten wird.

Ultraschallgestützte Deacetylierung von Chitin

Neben der Depolymerisation fördert eine intensive Ultraschallbehandlung auch die Deacetylierung von Chitin. Bei der Deacetylierung werden Acetylgruppen vom Chitinmolekül entfernt, wodurch Chitosan entsteht. Intensive Ultraschallenergie, insbesondere die bei der Kavitation erzeugten hohen Temperaturen und Drücke, beschleunigt die Deacetylierungsreaktion. Die durch Kavitation geschaffenen reaktiven Bedingungen helfen, die Bindungen der Acetylgruppen im Chitin zu spalten, was zur Freisetzung von Essigsäure und zur Umwandlung von Chitin in Chitosan führt.
Insgesamt verstärkt eine intensive Ultraschallbehandlung sowohl die Depolymerisation als auch die Deacetylierung, indem sie die notwendige mechanische und chemische Energie bereitstellt, um das Chitinpolymer abzubauen und die Umwandlung zu Chitosan zu erleichtern. Dieses Verfahren bietet eine schnelle und effiziente Methode zur Herstellung von Chitosan aus Chitin mit zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Branchen, darunter Pharmazie, Landwirtschaft und Biomedizintechnik.

Industrielle Herstellung von Chitosan aus Pilzen mit Leistungsultraschall

Die kommerzielle Herstellung von Chitin und Chitosan basiert hauptsächlich auf Abfällen der marinen Wirtschaftszweige (d. h. Fischerei, Gewinnung von Schalen- und Krustentieren usw.). Unterschiedliche Rohstoffquellen führen zu unterschiedlichen Chitin- und Chitosanqualitäten, wobei saisonale Schwankungen in der Fischerei Produktions- und Qualitätsschwankungen verursachen. Darüber hinaus bietet Chitosan aus Pilzen Berichten zufolge bessere Eigenschaften wie eine einheitliche Polymerkettenlänge und eine höhere Löslichkeit als Chitosan aus marinen Quellen. (Vgl. Ghormade et al., 2017) Um Chitosan gleichbleibender Qualität bereitzustellen, hat sich die Extraktion von Chitin aus Pilzarten als stabile Produktionsalternative etabliert. Chitin und Chitosan lassen sich mithilfe ultraschallgestützter Extraktions- und Deacetylierungstechnologie einfach und zuverlässig aus Pilzen herstellen. Intensive Beschallung bricht Zellstrukturen auf, um Chitin freizusetzen, und fördert den Stofftransport in wässrigen Lösungsmitteln, wodurch höhere Chitinausbeuten und eine höhere Extraktionseffizienz erzielt werden. Die anschließende ultraschallgestützte Deacetylierung wandelt das Chitin in das wertvolle Chitosan um. Sowohl die ultraschallgestützte Chitinextraktion als auch die Deacetylierung zu Chitosan lassen sich linear auf jeden kommerziellen Produktionsmaßstab skalieren.

Forschungsergebnisse zur ultraschallgestützten Deacetylierung von Chitin und Chitosan

Zhu et al. (2018) kommen in ihrer Studie zu dem Schluss, dass sich die ultraschallgestützte Deacetylierung als entscheidender Durchbruch erwiesen hat, da sie β-Chitin bei niedrigeren Reaktionstemperaturen in Chitosan mit einem Deacetylierungsgrad von 83–94% umwandelt. Das Bild links zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von ultraschallgestützt deacetyliertem Chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL)). (Bild und Studie: © Zhu et al., 2018)
In ihrem Versuchsprotokoll wurde eine NaOH-Lösung (20 w/v %) durch Auflösen von NaOH-Flocken in deionisiertem Wasser hergestellt. Die alkalische Lösung wurde anschließend in einem Zentrifugenröhrchen bei einem Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 1:20 (g: mL) zu GLSP-Sediment (0,5 g) gegeben. Chitosan wurde zu NaCl (40 mL, 0,2 M) und Essigsäure (0,1 M) bei einem Volumenverhältnis der Lösungen von 1:1 gegeben. Die Suspension wurde anschließend bei einer milden Temperatur von 25°C für 60 min mit einem Sonotrodengerät (250W, 20kHz) beschallt. (Vgl. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) stellten fest, dass die Abbaugeschwindigkeit in Chitosanlösungen nur selten von der Konzentration der zum Lösen des Polymers verwendeten Säure beeinflusst wird und weitgehend von der Temperatur, der Intensität der Ultraschallwellen und der Ionenstärke der zum Lösen des Polymers verwendeten Medien abhängt. (Vgl. Pandit et al., 2021)
 
In einer weiteren Studie verwendeten Zhu et al. (2019) Sporenpulver von Ganoderma lucidum als pilzbasierten Rohstoff und untersuchten die ultraschallunterstützte Deacetylierung sowie die Auswirkungen von Prozessparametern wie Beschallungsdauer, Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis, NaOH-Konzentration und Beschallungsleistung auf den Deacetylierungsgrad (DD) von Chitosan. Der höchste DD-Wert wurde mit folgenden Ultraschallparametern erzielt: 20 min Beschallung bei 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Die Oberflächenmorphologie, die chemischen Gruppen, die thermische Stabilität und die Kristallinität des mittels Ultraschall gewonnenen Chitosans wurden mit SEM, FTIR, TG und XRD untersucht. Das Forschungsteam berichtet über eine signifikante Erhöhung des Deacetylierungsgrads (DD), der dynamischen Viskosität ([η]) und des Molekulargewichts (Mv¯) des ultraschallgestützt hergestellten Chitosans. Die Ergebnisse unterstrichen, dass die ultraschallgestützte Deacetylierung von Pilzmaterial ein hochwirksames Herstellungsverfahren für Chitosan ist, das sich für biomedizinische Anwendungen eignet. (Vgl. Zhu et al., 2019)

Hervorragende Chitosanqualität durch ultraschallgestützte Depolymerisation und Deacetylierung

Ultraschallgestützte Prozesse zur Extraktion und Depolymerisation von Chitin / Chitosan lassen sich präzise steuern, und die Ultraschallprozessparameter können an die Rohstoffe und die angestrebte Endproduktqualität angepasst werden (z. B. Molekulargewicht, Deacetylierungsgrad). Dadurch lässt sich der Ultraschallprozess an äußere Faktoren anpassen, und optimale Parameter für hervorragende Ergebnisse und eine hohe Effizienz können eingestellt werden.
Ultraschallgestützt deacetyliertes Chitosan weist eine ausgezeichnete Bioverfügbarkeit und Biokompatibilität auf. Beim Vergleich der biomedizinischen Eigenschaften von ultraschallgestützt hergestellten Chitosanbiopolymeren mit thermisch gewonnenem Chitosan zeigt das ultraschallgestützt hergestellte Chitosan eine deutlich verbesserte Viabilität von Fibroblasten (L929-Zellen) sowie eine verstärkte antibakterielle Aktivität sowohl gegen Escherichia coli (E. coli) als auch gegen Staphylococcus aureus (S. aureus).
(Vgl. Zhu et al., 2018)
 

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Verarbeitung von Chitin und Chitosan

Die Fragmentierung von Chitin und die Deacetylierung von Chitin zu Chitosan erfordern leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte, die hohe Amplituden liefern, eine präzise Steuerung der Prozessparameter ermöglichen und unter hoher Last sowie in anspruchsvollen Umgebungen im 24/7-Betrieb eingesetzt werden können. Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics erfüllt diese Anforderungen zuverlässig. Neben einer hervorragenden Ultraschallleistung zeichnen sich die Ultraschallgeräte von Hielscher durch eine hohe Energieeffizienz aus, was einen erheblichen wirtschaftlichen Vorteil darstellt – insbesondere beim Einsatz in der kommerziellen Großproduktion.
Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind Hochleistungssysteme, die mit Zubehör wie Sonotroden, Boostern, Reaktoren oder Durchflusszellen ausgestattet werden können, um Ihre Prozessanforderungen optimal zu erfüllen. Mit digitalem Farbdisplay, der Möglichkeit zur Voreinstellung von Beschallungsabläufen, automatischer Datenaufzeichnung auf einer integrierten SD-Karte, Fernsteuerung über einen Browser und vielen weiteren Funktionen gewährleisten die Ultraschallgeräte von Hielscher ein Höchstmaß an Prozesskontrolle und Benutzerfreundlichkeit. Dank ihrer Robustheit und hohen Belastbarkeit sind die Ultraschallsysteme von Hielscher zuverlässige Arbeitspferde in Ihrer Produktion. Die Fragmentierung und Deacetylierung von Chitin erfordern leistungsstarken Ultraschall, um die angestrebte Umsetzung und ein hochwertiges Chitosan-Endprodukt zu erzielen. Insbesondere für die Fragmentierung der Chitinflocken sowie die Depolymerisations- und Deacetylierungsschritte sind hohe Amplituden und erhöhte Drücke entscheidend. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics liefern problemlos sehr hohe Amplituden. Amplituden von bis zu 200µm können kontinuierlich im 24/7-Betrieb eingesetzt werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Das Leistungsvermögen der Ultraschallsysteme von Hielscher ermöglicht eine effiziente und schnelle Depolymerisation und Deacetylierung in einem sicheren und benutzerfreundlichen Prozess.
 

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

---

---

Synergistische Chitinbehandlung durch Ultraschall verbessert

Um die Nachteile (d. h. geringe Effizienz, hohe Energiekosten, lange Verarbeitungszeiten, toxische Lösungsmittel) der herkömmlichen chemischen und enzymatischen Deacetylierung von Chitin zu überwinden, wurde hochintensiver Ultraschall in die Verarbeitung von Chitin und Chitosan integriert. Hochintensive Beschallung und die daraus resultierenden Effekte der akustischen Kavitation führen zu einer schnellen Spaltung der Polymerketten und verringern die Polydispersität, wodurch die Synthese von Chitosan gefördert wird. Darüber hinaus intensivieren ultraschallerzeugte Scherkräfte den Stofftransport in der Lösung, sodass chemische, hydrolytische oder enzymatische Reaktionen verstärkt werden. Die Ultraschallbehandlung von Chitin kann mit bereits bestehenden Verfahren zur Chitinverarbeitung wie chemischen Methoden, Hydrolyse oder enzymatischen Verfahren kombiniert werden.

Ultraschallunterstützte chemische Deacetylierung und Depolymerisation

Da Chitin ein nicht reaktives und unlösliches Biopolymer ist, muss es die Prozessschritte der Demineralisierung, Deproteinierung und Depolymerisation / Deacetylierung durchlaufen, um lösliches und biozugängliches Chitosan zu erhalten. Diese Prozessschritte umfassen Behandlungen mit starken Säuren wie HCl und starken Basen wie NaOH und KOH. Da diese herkömmlichen Prozessschritte ineffizient und langsam sind und viel Energie erfordern, verbessert die Prozessintensivierung durch Beschallung die Chitosanherstellung erheblich. Der Einsatz von Leistungsultraschall erhöht die Chitosanausbeute und -qualität, verkürzt den Prozess von Tagen auf wenige Stunden, ermöglicht mildere Lösungsmittel und macht den gesamten Prozess energieeffizienter.

Durch Ultraschall verbesserte Deproteinierung von Chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) stellten in ihrer Untersuchung zur Deproteinierung von Chitin fest: „Der Einsatz von Ultraschall zur Herstellung von Biopolymeren verringerte sowohl den Proteingehalt als auch die Partikelgröße des Chitins. Mithilfe von Ultraschall wurde Chitosan mit hohem Deacetylierungsgrad und mittlerem Molekulargewicht hergestellt.“

Ultraschallgestützte Hydrolyse zur Depolymerisation von Chitin

Bei der chemischen Hydrolyse werden entweder Säuren oder Alkalien zur Deacetylierung von Chitin verwendet, wobei die alkalische Deacetylierung (z. B. mit Natriumhydroxid NaOH) weiter verbreitet ist. Die saure Hydrolyse ist eine Alternative zur herkömmlichen chemischen Deacetylierung, bei der Lösungen organischer Säuren zur Depolymerisation von Chitin und Chitosan eingesetzt werden. Das Verfahren der sauren Hydrolyse wird vor allem dann angewendet, wenn das Molekulargewicht von Chitin und Chitosan einheitlich sein muss. Dieses herkömmliche Hydrolyseverfahren ist als langsam sowie energie- und kostenintensiv bekannt. Die Notwendigkeit starker Säuren, hoher Temperaturen und Drücke macht die hydrolytische Chitosanverarbeitung zu einem sehr teuren und zeitaufwendigen Verfahren. Die verwendeten Säuren erfordern nachgelagerte Prozesse wie Neutralisation und Entsalzung.
Durch die Integration von Hochleistungsultraschall in den Hydrolyseprozess lassen sich die für die hydrolytische Spaltung von Chitin und Chitosan erforderlichen Temperaturen und Drücke deutlich senken. Darüber hinaus ermöglicht die Beschallung niedrigere Säurekonzentrationen oder den Einsatz milderer Säuren. Dadurch wird der Prozess nachhaltiger, effizienter, kostengünstiger und umweltfreundlicher.

Ultraschallunterstützte chemische Deacetylierung

Der chemische Aufschluss und die Deacetylierung von Chitin und Chitosan erfolgen hauptsächlich durch die Behandlung von Chitin oder Chitosan mit Mineralsäuren (z. B. Salzsäure HCl), Natriumnitrit (NaNO₂) oder Wasserstoffperoxid (H₂O₂). Ultraschall erhöht die Deacetylierungsrate und verkürzt dadurch die Reaktionszeit, die zum Erreichen des angestrebten Deacetylierungsgrads erforderlich ist. Das bedeutet, dass die Beschallung die erforderliche Verarbeitungszeit von 12–24 Stunden auf wenige Stunden reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die Beschallung deutlich niedrigere Chemikalienkonzentrationen, beispielsweise 40% (w/w) Natriumhydroxid bei Beschallung, während ohne Ultraschall 65% (w/w) erforderlich sind.

Ultraschallgestützte enzymatische Deacetylierung

Die enzymatische Deacetylierung ist zwar ein mildes, umweltverträgliches Verfahren, ist jedoch hinsichtlich ihrer Effizienz und Kosten unwirtschaftlich. Aufgrund der komplexen, arbeitsintensiven und teuren nachgelagerten Isolierung und Reinigung der Enzyme aus dem Endprodukt wird die enzymatische Deacetylierung von Chitin nicht in der kommerziellen Produktion eingesetzt, sondern nur in wissenschaftlichen Forschungslaboren.
Eine Ultraschallvorbehandlung vor der enzymatischen Deacetylierung fragmentiert die Chitinmoleküle, vergrößert dadurch deren Oberfläche und stellt den Enzymen mehr Angriffsfläche zur Verfügung. Eine leistungsstarke Beschallung trägt zur Verbesserung der enzymatischen Deacetylierung bei und macht den Prozess wirtschaftlicher.