Ultraschallgestützte Deacetylierung von Chitin zu Chitosan
Ultraschallgestützte Chitosanherstellung
Chitosan wird durch die N-Deacetylierung von Chitin gewonnen. Bei der konventionellen Deacetylierung wird Chitin in wässrigen alkalischen Lösungsmitteln eingeweicht (typischerweise 40 bis 50% (w/w) NaOH). Der Einweichprozess erfordert hohe Temperaturen von 100 bis 120ºC und ist sehr zeitaufwendig, während die pro Einweichschritt erzielte Chitosanausbeute gering ist. Der Einsatz von Hochleistungsultraschall intensiviert den Deacetylierungsprozess von Chitin erheblich und ermöglicht bei einer schnellen Behandlung mit niedrigerer Temperatur eine hohe Ausbeute an niedermolekularem Chitosan. Durch die ultraschallgestützte Deacetylierung entsteht Chitosan von hervorragender Qualität, das als Inhaltsstoff in Lebensmitteln und pharmazeutischen Produkten, als Düngemittel und in vielen weiteren industriellen Anwendungen eingesetzt wird.
Die Ultraschallbehandlung führt zu einem außergewöhnlichen Acetylierungsgrad (DA), indem sie den Acetylierungsgrad von Chitin mit DA≥90 auf den von Chitosan mit DA≤10 senkt.
Zahlreiche Forschungsstudien bestätigen die Wirksamkeit der ultraschallgestützten Deacetylierung von Chitin zu Chitosan. Weiss J. et al. (2008) stellten fest, dass die Beschallung die Umwandlung von Chitin zu Chitosan drastisch verbessert. Die Ultraschallbehandlung von Chitin führt zu erheblichen Zeiteinsparungen und verkürzt die erforderliche Prozessdauer von 12–24 Stunden auf wenige Stunden. Zudem wird für eine vollständige Umwandlung weniger Lösungsmittel benötigt. Dadurch sinkt die Umweltbelastung, die durch das Verwerfen und Entsorgen des verbrauchten oder nicht umgesetzten Lösungsmittels, also konzentrierter NaOH, entsteht.
Die Deacetylierung von Chitin zu Chitosan wird durch Beschallung gefördert
UIP4000hdT – Ultraschallsystem mit 4kW Leistung
Funktionsprinzip der Ultraschallbehandlung von Chitosan
Niederfrequente Ultraschallbehandlung mit hoher Leistung (∼20–26kHz) erzeugt akustische Kavitation in Flüssigkeiten und Suspensionen. Hochleistungsultraschall fördert die Umwandlung von Chitin zu Chitosan, da das Lösungsmittel (z. B. NaOH) die festen Chitinpartikel fragmentiert und in sie eindringt. Dadurch wird die Oberfläche vergrößert und der Stofftransport zwischen der festen und der flüssigen Phase verbessert. Darüber hinaus erzeugen die hohen Scherkräfte der Ultraschallkavitation freie Radikale, die die Reaktivität des Reagenzes (d. h. NaOH) während der Hydrolyse erhöhen. Als nichtthermisches Verarbeitungsverfahren verhindert die Beschallung den thermischen Abbau und erzeugt hochwertiges Chitosan. Ultraschall verkürzt die zur Gewinnung von Chitin aus Krebstieren erforderlichen Verarbeitungszeiten und liefert im Vergleich zu herkömmlichen Verarbeitungsbedingungen Chitin (und damit anschließend auch Chitosan) von höherer Reinheit. Bei der Herstellung von Chitin und Chitosan bietet Ultraschall somit das Potenzial, die Produktionskosten zu senken, die Verarbeitungszeit zu verkürzen, eine bessere Kontrolle des Produktionsprozesses zu ermöglichen und die Umweltbelastung durch Prozessabfälle zu reduzieren.
- Höhere Chitosanausbeute
- Hervorragende Qualität
- Geringerer Zeitaufwand
- Niedrigere Prozesstemperatur
- Höhere Effizienz
- Einfache und sichere Bedienung
- Umweltfreundlich
Ultraschallgestützte Deacetylierung von Chitin zu Chitosan – Versuchsprotokoll
1) Vorbereitung des Chitins:
Werden Krabbenschalen als Ausgangsmaterial verwendet, sollten diese gründlich gewaschen werden, um sämtliche löslichen organischen Stoffe und anhaftenden Verunreinigungen einschließlich Erde und Proteinen zu entfernen. Anschließend muss das Schalenmaterial vollständig getrocknet werden (z. B. bei 60ºC für 24h in einem Ofen). Die getrockneten Schalen werden dann gemahlen (z. B. mit einer Hammermühle), in einem alkalischen Medium deproteinisiert (z. B. NaOH mit einer Konzentration von 0,125 bis 5,0 M) und in Säure demineralisiert (z. B. verdünnte Salzsäure).
2) Ultraschallgestützte Deacetylierung
Für eine typische ultraschallgestützte Deacetylierungsreaktion werden Beta-Chitinpartikel (d größer als 0,125 mm und kleiner als 0,250 mm) in 40%iger (w/w) wässriger NaOH suspendiert, wobei das Verhältnis von Beta-Chitin zu wässriger NaOH-Lösung 1/10(g mL-1) beträgt. Die Suspension wird in ein doppelwandiges Becherglas überführt und mit einem Ultraschallhomogenisator von Hielscher UP400St beschallt. Die folgenden Parameter (vgl. Fiamingo et al. 2016) werden bei der Durchführung einer ultraschallgestützten Chitindeacetylierung konstant gehalten: (i) Ultraschallsonotrode (Sonotrode Hielscher S24d22D, Spitzendurchmesser = 22 mm); (ii) Beschallung im Pulsbetrieb (IP = 0,5sec); (iii) Ultraschallintensität an der Oberfläche
(I = 52,6 W cm-2), (iv) Reaktionstemperatur (60ºC ±1ºC), (v) Reaktionszeit (50 min), (vi) Verhältnis der Masse von Beta-Chitin zum Volumen der 40%igen (w/w) wässrigen Natriumhydroxidlösung (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) Volumen der Beta-Chitinsuspension (50mL).
Die erste Reaktion läuft unter ständigem Rühren mit einem Magnetrührer für 50min ab und wird anschließend durch rasches Abkühlen der Suspension auf 0ºC unterbrochen. Danach wird verdünnte Salzsäure zugegeben, bis ein pH-Wert von 8,5 erreicht ist. Die Probe CHs1 wird durch Filtration abgetrennt, gründlich mit deionisiertem Wasser gewaschen und unter Umgebungsbedingungen getrocknet. Wird dieselbe ultraschallgestützte Deacetylierung in einem zweiten Schritt an CHs1 wiederholt, entsteht die Probe CHs2.
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen (REM) bei 100× Vergrößerung von a) Gladius, b) ultraschallbehandeltem Gladius, c) β-Chitin, d) ultraschallbehandeltem β-Chitin und e) Chitosan (Quelle: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. stellten fest, dass die ultraschallgestützte Deacetylierung von Beta-Chitin effizient hochmolekulares Chitosan mit niedrigem Acetylierungsgrad erzeugt, ohne dass Zusatzstoffe, eine Inertgasatmosphäre oder lange Reaktionszeiten erforderlich sind. Dies gelingt, obwohl die ultraschallgestützte Deacetylierungsreaktion unter milderen Bedingungen durchgeführt wird – also bei einer niedrigeren Reaktionstemperatur als bei den meisten thermochemischen Deacetylierungen. Die ultraschallgestützte Deacetylierung von Beta-Chitin ermöglicht die Herstellung von statistisch deacetyliertem Chitosan mit variablem Acetylierungsgrad (4% ≤ DA ≤ 37%), einer hohen gewichtsmittleren Molmasse (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) und geringer Dispersität (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) durch drei aufeinanderfolgende Reaktionen (50 min/Schritt) bei 60ºC.
Hochleistungs-Ultraschallprozessoren vom Labor- über den Technikums- bis zum Industriemaßstab.
Hochleistungs-Ultraschallsysteme für die Chitosanherstellung
Die Fragmentierung von Chitin und die Deacetylierung von Chitin zu Chitosan erfordern leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallgeräte, die hohe Amplituden liefern, eine präzise Kontrolle der Prozessparameter ermöglichen und unter hoher Belastung sowie in anspruchsvollen Umgebungen im 24/7-Betrieb eingesetzt werden können. Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt Ihre Anforderungen und die Ihres Prozesses ab. Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind Hochleistungssysteme, die mit Zubehör wie Sonotroden, Boostern, Reaktoren oder Durchflusszellen ausgestattet werden können, um sie optimal an Ihre Prozessanforderungen anzupassen.
Ein digitales Farbdisplay, die Möglichkeit, Beschallungsabläufe voreinzustellen, die automatische Datenaufzeichnung auf einer integrierten SD-Karte, die Fernsteuerung über einen Browser und viele weitere Funktionen gewährleisten höchste 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 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 gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Leistungsfähigkeit der Ultraschallsysteme von Hielscher ermöglicht eine effiziente und schnelle Deacetylierung in einem sicheren und benutzerfreundlichen Prozess.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Cluster aus UIP16000 |
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Literatur/Quellen
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of beta-chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 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 and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. 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): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Wissenswertes
Wie funktioniert die ultraschallgestützte Deacetylierung von Chitin?
Wenn niederfrequenter Hochleistungsultraschall (z. B. 20–26kHz) in eine Flüssigkeit oder Suspension eingekoppelt wird, wirken abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen auf die Flüssigkeit ein und erzeugen Verdichtung und Verdünnung. Während dieser wechselnden Hochdruck- und Niederdruckzyklen entstehen kleine Vakuumblasen, die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Sobald die Vakuumblasen keine weitere Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie heftig. Bei dieser Blasenimplosion entstehen lokal sehr extreme Bedingungen: hohe Temperaturen von bis zu 5000K, Drücke von bis zu 2000atm, sehr hohe Aufheiz- und Abkühlraten sowie Druckdifferenzen. Da der Blasenkollaps schneller abläuft als der Stoff- und Wärmetransport, bleibt die Energie im kollabierenden Hohlraum auf eine sehr kleine Zone beschränkt, die auch als „Hot Spot“ bezeichnet wird. Die Implosion der Kavitationsblase erzeugt zudem Mikroturbulenzen, Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s und daraus resultierende Scherkräfte. Dieses Phänomen wird als Ultraschallkavitation oder akustische Kavitation bezeichnet.
Tröpfchen und Partikel in der beschallten Flüssigkeit werden diesen Kavitationskräften ausgesetzt. Wenn die beschleunigten Partikel miteinander kollidieren, werden sie durch die Zusammenstöße zerkleinert. Akustische Kavitation ist das Funktionsprinzip des ultraschallgestützten Mahlens, Dispergierens und Emulgierens sowie der Sonochemie.
Bei der Deacetylierung von Chitin vergrößert hochintensiver Ultraschall die Oberfläche, indem er sie aktiviert und den Stofftransport zwischen Partikeln und Reagenz fördert.
Chitosan
Chitosan ist ein modifiziertes, kationisches, ungiftiges Kohlenhydratpolymer mit einer komplexen chemischen Struktur. Es besteht hauptsächlich aus β-(1,4)-Glucosamineinheiten (mehr als 80%) sowie aus N-Acetylglucosamineinheiten (weniger als 20%), die statistisch entlang der Kette verteilt sind. Chitosan wird durch chemische oder enzymatische Deacetylierung aus Chitin gewonnen. Der Deacetylierungsgrad (DA) bestimmt den Gehalt an freien Aminogruppen in der Struktur und dient zur Unterscheidung zwischen Chitin und Chitosan. Chitosan ist in milden Lösungsmitteln wie verdünnter Essigsäure gut löslich und besitzt mehrere freie Aminogruppen als aktive Zentren. Dadurch bietet Chitosan bei vielen chemischen Reaktionen Vorteile gegenüber Chitin.
Chitosan wird wegen seiner ausgezeichneten Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit, seiner Ungiftigkeit, seiner guten antimikrobiellen Wirkung (gegen Bakterien und Pilze), seiner Sauerstoffundurchlässigkeit und seiner filmbildenden Eigenschaften geschätzt. Im Gegensatz zu Chitin hat Chitosan den Vorteil, wasserlöslich und dadurch leichter zu handhaben und in Formulierungen einzusetzen zu sein.
Als zweithäufigstes Polysaccharid nach Cellulose ist Chitin aufgrund seines großen Vorkommens ein kostengünstiger und nachhaltiger Rohstoff.
Chitosanherstellung
Chitosan wird in einem zweistufigen Verfahren hergestellt. Im ersten Schritt wird das Ausgangsmaterial, beispielsweise die Schalen von Krebstieren (d. h. Garnelen, Krabben, Hummern), deproteinisiert, demineralisiert und gereinigt, um Chitin zu gewinnen. Im zweiten Schritt wird Chitin mit einer starken Base (z. B. NaOH) behandelt, um Acetylseitenketten zu entfernen und so Chitosan zu erhalten. Das konventionelle Verfahren zur Chitosanherstellung ist bekanntermaßen sehr zeit- und kostenintensiv.
Chitin
Chitin (C8H13O5N)n ist ein geradkettiges Polymer aus β-1,4-N-Acetylglucosamin und wird in α-, β- und γ-Chitin eingeteilt. Als Glucosederivat ist Chitin ein Hauptbestandteil der Exoskelette von Gliederfüßern wie Krebstieren und Insekten, der Radulae von Weichtieren, der Schnäbel von Kopffüßern sowie der Schuppen von Fischen und Lissamphibien. Es kommt auch in den Zellwänden von Pilzen vor. Die Struktur von Chitin ist mit der von Cellulose vergleichbar und bildet kristalline Nanofibrillen oder Whisker. Cellulose ist das weltweit häufigste Polysaccharid, gefolgt von Chitin als zweithäufigstem Polysaccharid.
Glucosamin
Glucosamin (C6H13NO5) ist ein Aminozucker und eine wichtige Vorstufe bei der biochemischen Synthese glykosylierter Proteine und Lipide. Glucosamin ist eine in der Natur häufig vorkommende Verbindung und Bestandteil der Struktur beider Polysaccharide, Chitosan und Chitin. Dadurch zählt Glucosamin zu den häufigsten Monosacchariden. Der größte Teil des kommerziell erhältlichen Glucosamins wird durch Hydrolyse der Exoskelette von Krebstieren, also von Krabben- und Hummerschalen, hergestellt.
Glucosamin wird hauptsächlich als Nahrungsergänzungsmittel in Form von Glucosaminsulfat, Glucosaminhydrochlorid oder N-Acetylglucosamin verwendet. Glucosaminsulfatpräparate werden oral zur Behandlung einer schmerzhaften Erkrankung verabreicht, die durch Entzündung, Abbau und schließlich Verlust von Knorpel verursacht wird (Arthrose).