Einleitung
Glucose ist ein Zucker, der für die meisten lebenden Organismen eine zentrale Rolle als Energielieferant spielt. Beim Menschen ist Glucose die Hauptenergiequelle für das Gehirn, die roten Blutkörperchen und die Muskeln bei intensiver körperlicher Aktivität. Außerdem ist er an der Zellatmung beteiligt. Die richtige Regulierung des Glucosespiegels ist für die Gesundheit von entscheidender Bedeutung, da sowohl ein hoher als auch ein niedriger Blutzuckerspiegel zu schweren Erkrankungen führen kann, wie Diabetes und Hypoglykämie („Unterzuckerung“).
Man unterscheidet bei Glucose unterschiedlichen Formen. L- und D-Glucose haben die gleiche chemische Formel; ihre Strukturen verhalten sich jedoch wie Bild und Spiegelbild zueinander (sogenannte Enantiomere). D-Glucose kommt außerdem in zwei anomeren Formen vor, die als alpha (α) und beta (β) bezeichnet werden und sich ineinander umwandeln können.
D-Glucose (auch Traubenzucker oder Dextrose genannt) ist die natürlich vorkommende Form der Glucose in lebenden Organismen, insbesondere bei Pflanzen und Tieren. Die Kinetik des Glucoseabbaus ist wichtig, da sie dazu beiträgt zu verstehen, wie Glucose im Laufe der Zeit unter verschiedenen Bedingungen abgebaut wird, was in verschiedenen biologischen, industriellen und medizinischen Zusammenhängen eine Rolle spielt.
Im Folgenden wurden thermogravimetrische Messungen durchgeführt, um die Kinetik der Abbaureaktion von α-D-Glucose zu untersuchen.
Messbedingungen und -ergebnisse
Zu diesem Zweck wurden vier Proben mit einer Ausgangsmasse zwischen 2,7 und 2,9 mg in Aluminiumoxidtiegeln eingewogen. Jeder Tiegel wurde in die Thermowaage eingesetzt und einer kontrollierten Aufheizung unter dynamischem Stickstoffstrom unterzogen, wobei die Heizrate in den einzelnen Experimenten zwischen 1 und 10 K/min variiert wurde.
TGA Measurements
Abbildung 1 zeigt die resultierenden Messkurven der thermogravimetrischen Untersuchungen bei den verschiedenen Heizraten.
Es werden jeweils zwei Massenverluststufen festgestellt. Während der ersten verlaufen die Kurven parallel zueinander. Eine Erhöhung der Heizrate führt zu einer Verschiebung der beobachteten Effekte zu höheren Temperaturen, hat jedoch keinen Einfluss auf die Höhe des Massenverlustes. Der Reaktionsverlauf kann somit formal mit der Stufe
wiedergegeben werden, wobei A und B den Edukten bzw. den Produkten entsprechen.
Im Gegensatz dazu führt die zweite Massenverluststufe zu unterschiedlichen Restmassen, die von der Heizrate abhängen. Diese Abhängigkeit des Massenverlusts von der Heizrate deutet darauf hin, dass diese Zersetzungsstufe mindestens zwei konkurrierende Reaktionen beinhaltet, die simultan ablaufen. Dies entspricht formal den folgenden Reaktionsstufen:
wobei C und D für die Produkte der konkurrierenden Reaktionen stehen.
Kinetische Analyse
Die Reaktionskinetik wurde mit der Software Kinetics Neo unter Verwendung des oben beschriebenen dreistufigen Reaktionsmodells analysiert:
Für jede dieser Stufen berechnet die Software die kinetischen Parameter, d. h. Reaktionstyp, Aktivierungsenergie und Reaktionsordnung, für einen bestimmten Reaktionstyp. Für die erste Reaktionsstufe wurde eine autokatalytische Reaktion gewählt, für die beiden konkurrierenden Stufen Reaktionen n-ter Ordnung.
Tabelle 1 zeigt die für die Berechnung ermittelten kinetischen Parameter und Abbildung 2 die mit diesen Parametern berechneten Kurven im Vergleich zu den gemessenen Daten.
Tabelle 1: Kinetische Analyse der Zersetzung von α-D Glucose
| A → B | B → C | B → D | |
|---|---|---|---|
| Reaktionstyp | Autokatalyse | n-te Ordnung | n-te Ordnung |
| Gleichung | siehe [1] | siehe [2] | siehe [3] |
| Aktivierungsenergie | 96,53 | 1,13 | 182,28 |
| Log(PreExp) | 7,69 | -3,39 | 14,45 |
| Reaktionsordnung | 1,76 | 13,96 | 1,96 |
| Log(AutocatPreExp) | 0,69 | - | - |
| Beitrag | 0,28 | 0,36 | 0,37 |
Die berechneten und gemessenen Kurven stimmen mit einem Korrelationskoeffizienten von über 0,999 sehr gut überein.
Vorhersage der Zersetzung von Glucose
Auf der Grundlage der ermittelten kinetischen Parameter ist Kinetics Neo in der Lage, das Zersetzungsverhalten von Glucose für beliebige Zeit-/Temperaturbedingungen zu simulieren und so deren Stabilität und Haltbarkeit vorherzusagen.
Ein Beispiel ist in Abbildung 3 dargestellt, gezeigt wird die Simulation des Zersetzungsprozesses für verschiedene Isothermen zwischen 20°C und 200°C. Wie zu erwarten, verläuft die Reaktion umso schneller, je höher die Temperatur ist. Bei einem Umsatz von 1 ist die Reaktion abgeschlossen. Dieser Zustand wird bei 200 °C nach ca. 20 Monaten erreicht.
Abbildung 4 zeigt die entsprechenden Konzentrationen des Edukts A, des Zwischenproduktes B sowie der Produkte C und D, die während der Reaktion gebildet werden.
Fazit
Die Zersetzungskinetik von α-D-Glucose wurde mittels thermogravimetrischer Messungen und der Software Kinetics Neo untersucht.
Die Software Kinetics Neo ermöglicht die Simulation des Materialverhaltens für beliebige Zeit-/Temperaturbedingungen und ist daher ein effektives Werkzeug zur Vorhersage der Stabilität und Haltbarkeit.