Von Joncer Naibaho
Jedes Jahr fallen bei der Verarbeitung von Meeresfrüchten große Mengen an Abfall an. Bei der Garnelenproduktion sind nur etwa 40% der Biomasse essbar, sodass Millionen Tonnen Schalen als Nebenprodukte übrig bleiben. Diese Schalen enthalten jedoch wertvolle Verbindungen wie Chitin, das in Chitosan umgewandelt werden kann – ein Biopolymer, das in der Lebensmittelverpackungsindustrie, bei biomedizinischen Materialien und in Umweltanwendungen weit verbreitet ist.
Die effiziente Herstellung von Chitosan kann jedoch eine Herausforderung darstellen, da die herkömmliche Extraktion mehrere zeit- und energieintensive Schritte umfasst, darunter Trocknung, Mahlung und chemische Behandlungen. Unsere jüngste Studie untersuchte, wie die Vorbehandlung von Garnelenschalen vor der Extraktion in Kombination mit ultraschallgestützter Verarbeitung sowohl die Effizienz als auch die Produktqualität verbessern könnte.
Warum Vorbehandlung wichtig ist
Garnelenschalen enthalten Mineralien wie Kalziumkarbonat sowie Proteine und an die Schalenmatrix gebundene Fleischreste. Diese Bestandteile können die Trocknung verlangsamen und die Chitin-Extraktion erschweren.
Um dies anzugehen, wurden zwei Vorbehandlungsstrategien einzeln auf frische Garnelenschalen angewendet:
- Essigsäurebad – hilft beim Auflösen von Mineralien und Lockern der Schalenstruktur
- Pepsin-unterstützte enzymatische Vorbehandlung – zur Unterstützung des Abbaus von Restproteinen und anhaftendem Fleisch
Diese Behandlungen halfen, Verunreinigungen zu entfernen und Mineralien teilweise aufzulösen, wodurch die Schalenstruktur in späteren Schritten leichter zu verarbeiten war.
Schnellere Trocknung und geringerer Energieverbrauch
Die Vorbehandlung hatte einen deutlichen Einfluss auf die Trocknungsphase. Garnelenschalen ohne Vorbehandlung benötigten etwa 22 Stunden zum Trocknen, während die Vorbehandlung mit Essigsäure die Trocknungszeit auf 20 Stunden und mit Pepsin auf 15 Stunden verkürzte.
Da die Schalenmatrix nach der Vorbehandlung weniger kompakt wurde, verdampfte Wasser leichter. Infolgedessen sank die für das Trocknen erforderliche Energie von 0,498 kWh auf 0,392 – 0,331 kWh pro 100 g Schalen nach der Vorbehandlung.
Die behandelten Schalen waren außerdem zerbrechlicher, was das Mahlen erleichterte und den mechanischen Energiebedarf beim Mahlen reduzierte.
Optimierung der Chitosan-Extraktion mittels Ultraschall
Nach der Vorbehandlung und Trocknung wurde Chitosan durch Entmineralisierung, Entproteinisierung und Deacetylierung gewonnen. Bei den ersten beiden Schritten kam Ultraschalltechnologie zum Einsatz, um die Extraktionseffizienz zu steigern, wie im Folgenden dargestellt.
Ultraschall erzeugt mikroskopische Kavitationsblasen, die schnell kollabieren und so beim Abbau biologischer Strukturen und der Verbesserung des Stofftransfers helfen. Der Einsatz von Ultraschall verkürzte die Dauer wichtiger Extraktionsschritte auf etwa 30 Minuten, was deutlich schneller ist als bei vielen herkömmlichen Verfahren.
Herstellung von hochreinem Chitosan
Die Vorbehandlung verbesserte zudem die Qualität des Endprodukts. Das aus vorbehandelten Schalen gewonnene Chitosan wies eine sehr hohe Reinheit (bis zu ~99,9%) sowie wünschenswerte Eigenschaften wie einen hohen Deacetylierungsgrad (~95–96%), eine gute Löslichkeit und eine hohe thermische Stabilität auf.
Die Vorbehandlung in Kombination mit der ultraschallunterstützten Extraktion bietet eine effizientere Möglichkeit, Abfälle aus Garnelenschalen in wertvolle Biomaterialien umzuwandeln. Dieser Ansatz unterstützt die Kreislauf-Bioökonomie, in der Nebenprodukte der Meeresfrüchteverarbeitung nicht entsorgt, sondern in nützliche Produkte umgewandelt werden.