17.09.2026

Chitosan - Charakterisierung des Krabbenschalen-Biopolymers mit GPC/SEC

Chitosan ist ein natürlich vorkommendes Biopolymer. Aufgrund der im Polymermolekül enthaltenen Stickstoffmoleküle wird es auch als Polyaminosaccharid bezeichnet. Chitosan wird technisch aus Chitin durch Deacetylierung gewonnen, das Chitosan-Molekül besteht aus linear miteinander verbundenen 2-Amino-2-desoxy-β-D-glucopyranose-Monomeren (Abbildung 1).

Der größte Teil des kommerziell erhältlichen Chitins, das als Ausgangsstoff für die Chitosanherstellung dient, stammt aus den Schalen von Krabben und anderen Krebstieren. Veganes Chitosan kann aus einigen Pilzarten gewonnen werden.

Chitosan hat ein sehr breites Anwendungsspektrum. Es wird als Nahrungsmittelzusatzstoff eingesetzt, ebenso findet Chitosan Verwendung in verschiedenen Medizinprodukten. Auch technische Anwendungen sind bekannt, so wird Chitosan z. B. als Filtermedium in Kläranlagen verwendet.

Charakterisierung von Chitosan mit der Gelpermeationschromatographie

: Abb.1 oben: Chemische Struktur von Chitosan
Abb.2 unten: Aus den Schalen von Garnelen
kann Chitin gewonnen werden (Quelle: Wikipedia)

Die Gelpermeationschromatographie eignet sich sehr gut für die Auftrennung und die anschließende Charakterisierung von Chitosanproben. Verwendet man ein GPC/SEC-System mit Dreifachdetektion (Statische Mehrwinkel-Lichtstreuung, Viskositätsdetektion und Brechungsindexdetektion), dann können sowohl die absoluten Molekulargewichte der Chitosanproben, als auch deren Intrinsische Viskositäten IV bestimmt werden [1].

Aus diesen beiden Werten kann weiterhin der hydrodynamische Radius Rh der Proben bestimmt werden. Aus dem Signal des Brechungsindexdetektors kann die Konzentration und somit die Wiederfindungsrate für die Probe ermittelt werden. Abbildung 3 zeigt ein Chromatogramm für eine typische Chitosanprobe.

Eine Eigenschaft unterscheidet Chitosan von vielen anderen Polysacchariden: Während einfache Polysaccharide wie z. B. Dextran und Pullulan in wässrigen Medien wie z. B. einer 0,1 molaren Natriumnitrat-Lösung oder einem Phosphatpuffer bei einem neutralen pH-Wert von ca. 7 sehr gut löslich sind, ist Chitosan unter diesen Bedingungen unlöslich.

Chitosan löst sich erst ab einem pH-Wert von ca. 6 und geringer, also in sauren Medien. Daher verwendet man in der Gelpermeationschromatographie für die Trennung und Charakterisierung von Chitosanproben meist einen schwach essigsauren Puffer. Als Beispiel wäre eine 0,5 molare Natriumchlorid-Lösung mit einem Zusatz von 0,03 Volumenprozent Trifluoressigsäure zu nennen. Der pH-Wert dieser Lösung liegt bei ca. 5,5.

Abb.3: Chromatogramm einer Chitosanprobe - Grün: Lichtstreudetektor / Blau: Viskositätsdetektor / Rot: Brechungsindexdetektor

In diesem leicht sauren Milieu sind die Chitosanproben gut löslich. Als Trennsäulen eignen sich so genannte mixed-bed Trennsäulen, die einen großen Trennbereich abdecken, da die Chitosane eine teilweise recht große Verteilungsbreite in Ihren Molekulargewichten aufweisen.

In Tabelle 1 sind die Resultate der GPC/SEC-Analyse von drei Chitosanproben aufgelistet; es handelt sich um zwei Proben mit tierischem Ursprung (Krabbenschalen) und eine Probe, die aus Pilzen gewonnen wurde.

Tab.1: Resultate der Messungen von drei Chitosanproben

Trägt man die Intrinsischen Viskositäten IV der Chitosanproben logarithmisch über deren Molekulargewicht Mw auf, dann erhält man den so genannten Mark-Houwink-Plot [2]. Der lineare Mark-Houwink-Plot für die Chitosanprobe 1 in Abbildung 4 zeigt, dass es keine Verzweigungen im Chitosanmolekül gibt. Die Chitosane sind lineare, unverzweigte Polyaminosaccharide.

Abb.4: Mark-Houwink Plot der Chitosanprobe 1 - Blau: Messdaten der Probe / Schwarz: Lineare Referenz

Fazit

Chitosane werden durch Deacetylierung von Chitin hergestellt. Sie sind natürlich vorkommende Polyaminosaccharide mit linearer, unverzweigter Kettenstruktur. Chitosane werden im Bereich der Ernährung als Lebensmittelzusatzstoffe verwendet, in Medizinprodukten eingesetzt, und finden auch technische Anwendungen. Chitosane können mit der Technik der Gelpermeationschromatographie mit Dreifachdetektion aufgetrennt und umfassend charakterisiert werden. Es gilt aber zu beachten, dass Chitosane, im Vergleich zu vielen anderen Biopolymeren, nicht in einem pH-neutralen wässrigen Medium löslich sind. Man muss in einem leicht sauren Medium arbeiten, um die Chitosane vollständig lösen zu können.

Literatur

G. Heinzmann, "Der Begriff "Triple Detection" in der Gelpermeations-chromatographie und der Feld-Fluss Fraktionierung - Ursprung und heutige Bedeutung", Fachartikel Analytik NEWS, Mai 2018
G. Heinzmann, A. Heinzmann und S. Heinzmann, "Konformationsplot oder Mark-Houwink-Plot? Welche graphische Auftragung von GPC/SEC-Daten eignet sich besser zur Bestimmung von Polymerstrukturen?" Fachartikel Analytik NEWS, Februar 2023

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