DE19503465A1

DE19503465A1 - Verfahren zur Herstellung von niedrigviskosen kationischen Biopolymeren

Info

Publication number: DE19503465A1
Application number: DE19503465A
Authority: DE
Inventors: Bettina Tanabe; Rolf Dr Wachter
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1995-02-03
Filing date: 1995-02-03
Publication date: 1996-08-08
Also published as: EP0807127A1; EP0807127B1; AU4621696A; ES2141469T3; PT807127E; DK0807127T3; WO1996023817A1; DE59603860D1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nie drigviskosen kationischen Biopolymeren durch Nachbehandlung von bekannten Deacetylierungsprodukten des Chitins sowie die Verwendung der Biopolymeren zur Herstellung von kosmetischen und/oder pharmazeutischen Mitteln.

Stand der Technik

Chitosane stellen Biopolymere dar und werden zur Gruppe der Hydrokolloide gezählt. Chemisch betrachtet handelt es sich um partiell deacetylierte Chitine unterschiedlichen Molekular gewichtes, die den - idealisierten - Monomerbaustein (I) ent halten. Im Gegensatz zu den meisten Hydrokolloiden, die im Bereich biologischer pH-Werte negativ geladen sind, stellen Chitosane unter diesen Bedingungen kationische Biopolymere dar. Die positiv geladenen Chitosane können mit entgegenge setzt geladenen Oberflächen in Wechselwirkung treten und werden daher in kosmetischen Haar- und Körperpflegemitteln, aber auch als Verdicker in Tensidgemischen eingesetzt.

Übersichten zu diesem Thema sind beispielsweise von B. Gess lein et al. in HAPPI 27, 57 (1990), O. Skaugrud in Drug Cosin. Ind. 148, 24 (1991) und E. Onsoyen et al. in Seifen-Öle-Fette- Wachse 117, 633 (1991) erschienen.

Zur Herstellung der Chitosane geht man von Chitin, vorzugs weise den Schalenresten von Krustentieren aus, die als billi ge Rohstoffe in großen Mengen zur Verfügung stehen. Das Chi tin wird dabei üblicherweise zunächst durch Zusatz von Basen deproteiniert, durch Zugabe von Mineralsäuren demineralisiert und schließlich durch Zugabe von starken Basen deacetyliert, wobei die Molekulargewichte über ein breites Spektrum ver teilt sein können. Entsprechende Verfahren zur Herstellung von - mikrokristallinem - Chitosan sind beispielsweise in der WO 91/05808 (Firextra Oy) und der EP 0382150 B1 (Hoechst) beschrieben.

Kationische Biopolymere der genannten Art weisen jedoch meh rere Nachteile auf: Sie sind schwerlöslich, trüben aus, wei sen in wäßrigen organischen Säuren eine gelförmige, häufig zu hohe Viskosität auf und sind anfällig gegenüber mikrobieller Kontamination.

Die komplexe Aufgabe der Erfindung hat demnach darin bestan den, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von kationi schen Biopolymeren zur Verfügung zu stellen, das frei von den geschilderten Nachteilen sind.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von niedrigviskosen kationischen Biopolymeren mit einem durchschnittlichen Molekulargewicht von etwa 10 000 bis etwa 2 000 000 und vorzugsweise einem Aschegehalt von weniger als 0,3 Gew.-%, bei dem man

(a) frische Krustentierschalen mit verdünnter wäßriger Mine ralsäure behandelt,
(b) das resultierende demineralisierte erste Zwischenprodukt mit wäßriger Alkalihydroxidlösung behandelt,
(c) das resultierende geringfügig deproteinierte zweite Zwi schenprodukt erneut mit verdünnter wäßriger Mineralsäure behandelt,
(d) das resultierende decalcifizierte dritte Zwischenprodukt schließlich mit konzentrierter wäßriger Alkalilauge be handelt und dabei bis zu einem Gehalt von 0,15 bis 0,8 und insbesondere 0,2 bis 0,25 Mol Acetamid pro Mol Mono mereinheit deacetyliert und
(e) das deacetylierte vierte Zwischenprodukt einer Nachbe handlung bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 100°C und gegebenenfalls einem Druck von 1,5 bis 3,0 bar unterwirft.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß sich kationische Bio polymere erhalten lassen, die in organischen Säuren gelöst eine vorteilhaft niedrige Viskosität aufweisen, wenn man an sich bekannte Deacetylierungsprodukte von seetierischem Chi tin einer Temperaturnachbehandlung, gegebenenfalls unter er höhtem Druck unterwirft.

Einsatzstoffe

Als Einsatzstoffe kommen Schalen von Krustentieren, vorzugs weise Krebs-, Krabben-, Shrimps- oder Krillschalen in Frage. Im Hinblick auf die Kontaminierung durch Endotoxine und die antimikrobielle Stabilisierung der Endprodukte hat es sich als vorteilhaft erwiesen, fangfrische Rohstoffe einzusetzen. Dies kann in der Praxis z. B. bedeuten, daß frisch gefangene Krabben noch an Bord des Schiffes von ihren Schalen befreit und diese bis zu ihrer Verarbeitung tiefgefroren werden. Es ist natürlich ebenso möglich, den gesamten Fang einzufrieren und an Land weiterzuverarbeiten.

Demineralisierung

Die Demineralisierung ist als erster Schritt des erfindungs gemäßen Verfahrens besonders wichtig, da auf diesem Wege En dotoxine entfernt, die Deproteinierung wesentlich erleichtert und schließlich die Grundlagen für die Herstellung von beson ders aschearmen Biopolymeren gelegt werden. Die Deminerali sierung wird durch Behandlung der Schalen mit wäßrigen Mine ralsäuren, vorzugsweise verdünnter Salzsäure bei einer Tem peratur im Bereich von 15 bis 25, vorzugsweise etwa 20°C und einem pH-Wert von 0,3 bis 0,7, vorzugsweise etwa 0,5 durchge führt.

Deproteinierung

Die Deproteinierung wird durch Behandeln der demineralisier ten Zwischenprodukte mit wäßrigen Alkalihydroxidlösungen, vorzugsweise Natriumhydroxidlösung erreicht. Vorzugsweise führt man diesen Schritt bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 95, insbesondere 70 bis 80°C und einem pH-Wert von 12 bis 14 durch.

Decalcifizierung

Die Decalcifizierung gleicht in der Durchführung dem Demine ralisierungsschritt. Auch hier wird das nunmehr deproteinier te Zwischenprodukt mit wäßrigen Mineralsäuren bei einer Tem peratur im Bereich von 15 bis 25, vorzugsweise etwa 20°C und einem pH-Wert von 0,3 bis 0,7, vorzugsweise etwa 0,5 behan delt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das decalcifi zierte Zwischenprodukt vor der nachfolgenden Deacetylierung bis auf einen Restwassergehalt von 5 bis 25 Gew.-% - bezogen auf das nichtentwässerte Produkt - zu trocknen.

Deacetylierung

Die Deacetylierung wird unter Verwendung von konzentrierten Basen, beispielsweise konzentrierter Natron- oder Kalilauge wiederum bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 95, ins besondere 70 bis 98°C und einem pH-Wert von 12 bis 14 durch geführt. Der Abbau wird soweit durchgeführt, daß ein Biopoly mer erhalten wird, das einen Gehalt von 0,15 bis 0,25, vor zugsweise 0,16 bis 0,2 Mol Acetamid pro Mol Monomerbaustein resultiert. Der Deacetylierungsgrad kann im wesentlichen durch die Reaktionszeit eingestellt werden, die üblicherweise bei 1 bis 10 und vorzugsweise 2 bis 5 h liegt. Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die Zwischenprodukte vor je dem neuen Verfahrensschritt neutral zu waschen.

Temperatur/Drucknachbehandlung

Die nach den Verfahrensschritten (a) bis (d) erhältlichen kationischen Biopolymeren stellen Gele dar, die als 2 Gew.-% Lösungen z. B. in Glycol- oder Essigsäure Viskositäten nach Brookfield im Bereich von 20 000 bis 30 000 mPa·s aufweisen. Durch eine Nachbehandlung bei erhöhten Temperaturen und ge gebenenfalls bei erhöhtem Druck kann die Viskosität soweit herabgesetzt werden, daß niedrigviskose Produkte mit einer Viskosität nach Brookfield im Bereich von 100 bis 2000 mPa·s resultieren. Typischerweise findet die Temperaturnachbehand lung beispielsweise in einem Rührkessel bei Temperaturen im Bereich von 50 bis 100 und vorzugsweise 80 bis 95°C statt. Für die Temperaturnachbehandlung unter Druck empfiehlt sich die Verwendung eines Autoklaven. Bei der Autoklavierung stellt sich in Abhängigkeit von der Temperatur in der Regel ein autogener Druck im Bereich von 1,5 bis 3,0 und vorzugs weise etwa 2 bar ein. Neben den kationischen Biopolymeren können auch deren Lösungen in organischen Säuren wie Essig- oder Glycolsäure autoklaviert werden.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen katio nischen Biopolymeren lösen sich in organischen Säuren wie z. B. Essigsäure oder Glycolsäure klar und zeichnen sich bei spielsweise als 2gew.-%ige Lösungen durch eine Viskosität nach Brookfield aus, die im Bereich von 100 bis 2000 und vorzugsweise von 200 bis 500 mPa·s liegt. Sie eignen sich daher zur Herstellung von kosmetischen Produkten wie bei spielsweise Mitteln zur Haut- und Haarpflege und insbesondere Mitteln, die in Form von Sprays formuliert werden. Wird die Temperaturnachbehandlung im Autoklaven unter Druck durchge führt, werden sterile Produkte erhalten, die sich in ausge zeichneter Weise auch für die Herstellung von pharmazeu tischen Mitteln eignen.

Die folgenden Beispiele sollen den Gegenstand der Erfindung näher erläutern, ohne ihn darauf einzuschränken.

I. Herstellbeispiele Vergleichsbeispiel V1

(a) 1000 g frisch ausgelöste Krabbenschalen (Aschegehalt 31,8 Gew.-% bezogen auf das Trockengewicht) wurden ge trocknet und über einen Zeitraum von 12 h bei 18°C mit 3000 ml verdünnter, 1 molarer Salzsäure bei einem pH- Wert von 0,5 behandelt. Anschließend wurde das demine ralisierte Produkt neutral gewaschen; der Aschegehalt - bezogen auf Trockengewicht - betrug 0,79 Gew.-%.
(b) Das demineralisierte Produkt aus (a) wurden mit 5gew.-%iger Natriumhydroxidlösung im Gewichtsverhältnis 1 : 3 versetzt und 2 h bei 70°C gerührt. Anschließend wurde das deproteinierte Produkt 18 h bei 30°C gehalten. Das resultierende Material wurde wieder neutral gewaschen; der Aschegehalt - bezogen auf Trockengewicht - betrug 0,6 Gew.-%.
(c) Das deproteinierte Produkt aus (b) wurde wiederum im Gewichtsverhältnis 1 : 3 mit 1 molarer Salzsäure ver setzt. Der Ansatz wurde bei 18°C etwa 1,5 h leicht ge rührt und anschließend neutral gewaschen. Das decalci fizierte, leicht rosa gefärbte Produkt wies einen Asche gehalt - bezogen auf Trockengewicht - von 0,08 Gew.-% auf und wurde vor der Weiterverarbeitung durch Abpressen weitgehend von anhaftendem Wasser befreit.
(d) Das decalcifizierte Produkt aus (c) wurde im Gewichts verhältnis 1 : 4 mit 65gew.-%iger wäßriger Natriumhy droxidlösung versetzt und 4 h bei 95°C gehalten. Danach wurde das resultierende Chitosan mit Wasser neutral ge waschen, gefriergetrocknet und zermahlen. Es wurde ein blaß rosa gefärbtes Pulver erhalten, das sich in 1gew.-%iger Essigsäure auflöste. Der Acetylierungsgrad betrug nach ¹H-NMR-Untersuchung 0,17 Mol Acetamid/Mol Monomerbaustein. Die Ergebnisse der Viskositätsmessungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 1

100 g des 1gew.-%ig in Glycolsäure gelösten Gels des katio nischen Biopolymers aus VI wurden in einen Dreihalskolben überführt und über einen Zeitraum von 24 h bei einer erhöhten Temperatur von 90°C nachbehandelt. Die Ergebnisse der Visko sitätsmessungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

Beispiel 2

100 g des kationischen Biopolymers aus VI wurden in einen Autoklaven überführt und über einen Zeitraum von 20 min bei einer erhöhten Temperatur von 120°C und einem autogenen Druck von 2 bar nachbehandelt. Die Ergebnisse der Viskositätsmes sungen sind in Tabelle 1 zusammengefaßt.

II. Viskositätsmessungen

Die Bestimmung der Viskosität erfolgte in einem Brookfield RVT-Viskosimeter bei 20°C (Spindel 5, 10 UpM).

Tabelle 1

Viskositäten der 2gew.-%igen Gele

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von niedrigviskosen kationi schen Biopolymeren mit einem durchschnittlichen Moleku largewicht von etwa 10 000 bis etwa 2 000 000, bei dem man

(a) frische Krustentierschalen mit verdünnter wäßriger Mineralsäure behandelt,
(b) das resultierende demineralisierte erste Zwischen produkt mit wäßriger Alkalihydroxidlösung behan delt,
(c) das resultierende geringfügig deproteinierte zweite Zwischenprodukt erneut mit verdünnter wäßriger Mi neralsäure behandelt,
(d) das resultierende decalcifizierte dritte Zwischen produkt schließlich mit konzentrierter wäßriger Al kalilauge behandelt und dabei bis zu einem Gehalt von 0,15 bis 0,8 Mol Acetamid pro Mol Monomerein heit deacetyliert und
(e) das deacetylierte vierte Zwischenprodukt einer Nachbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 100°C und gegebenenfalls einem Druck von 1,5 bis 3 bar unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Mineralsäure verdünnte Salzsäure einsetzt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn zeichnet, daß man als Alkalihydroxidlösung Natriumhy droxidlösung einsetzt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Schritte (a) und (c) bei einer Temperatur im Bereich von 15 bis 25°C und einem pH-Wert von 0,3 bis 0,7 durchführt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Schritte (b) und (d) bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 95°C und einem pH-Wert von 12 bis 14 durchführt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß man das decalcifizierte Zwischenprodukt aus Schritt (c) vor der Deacetylierung bis auf einen Restwassergehalt von 5 bis 25 Gew.-% trocknet.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß man die Zwischenprodukte vor jedem neuen Verfahrensschritt neutral wäscht.

8. Verwendung der kationischen Biopolymeren nach dem Ver fahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 zur Herstellung von kosmetischen und/oder pharmazeutischen Mitteln.