DE102020208914A1

DE102020208914A1 - Verfahren zur gewinnung von glykan-extrakten aus apfeltrester, verfahren zur herstellung funktionalisierter glykane sowie mit dem verfahren herstellbares funktionalisiertes glykan und dessen verwendung

Info

Publication number: DE102020208914A1
Application number: DE102020208914.0A
Authority: DE
Inventors: Annike Möller; Stefan Hanstein
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-07-16
Filing date: 2020-07-16
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US20230257486A1; EP4182360A1; WO2022013161A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten aus Apfeltrester, bei welchem eine Mischung umfassend Apfeltrester und Wasser bereitgestellt wird, die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen wird, bei welcher mindestens ein Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser extrahiert wird, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das mindestens eine Glykan enthält, mindestens ein Alkohol zu dem wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben wird, wodurch ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt wird, der das mindestens eine Glykan enthält, und der feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit abgetrennt wird. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane, bei welchem zunächst mit dem Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten aus Apfeltrester ein fester Glykan-Extrakt aus Apfeltrester gewonnen wird, der mindestens ein Glykan enthält, und danach das mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares oder hergestelltes funktionalisiertes Glykan sowie dessen Verwendung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten aus Apfeltrester, bei welchem eine Mischung umfassend Apfeltrester und Wasser bereitgestellt wird, die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen wird, bei welcher mindestens ein Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser extrahiert wird, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das mindestens eine Glykan enthält, mindestens ein Alkohol zu dem wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben wird, wodurch ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt wird, der das mindestens eine Glykan enthält, und der feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit abgetrennt wird. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane, bei welchem zunächst mit dem Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten aus Apfeltrester ein fester Glykan-Extrakt aus Apfeltrester gewonnen wird, der mindestens ein Glykan enthält, und danach das mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt wird. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbares oder hergestelltes funktionalisiertes Glykan sowie dessen Verwendung.
Bei der Saftproduktion fallen allein in Deutschland 200.000 t Apfeltrester pro Jahr an. Im Sinne einer vollständigen Nutzung erfolgen für diesen Reststoff bereits folgende Wiederverwertungsverfahren: zum einen die Nutzung des getrockneten Tresters als Futtermittel und zum anderen zur Produktion von Pektin. Bei der Pektinproduktion werden lediglich 10 bis 15 % des Apfeltresters genutzt. Weitere 20 bis 30 % des Apfeltresters werden als Süßungsmittel verkauft. Somit verbleiben noch 55 bis 70 % als entpektinisierter Trester. Eine weitere Verwertungsmöglichkeit besteht in der Nutzung der darin enthaltenen verzweigten Glykane (Hemicellulosen) als funktionale Polymere in Beschichtungen der Verpackungs- und Papierindustrie.
Der verzweigte polymere Charakter der Hemicellulosen und die hohe Zahl an reaktiven Hydroxylgruppen bieten verschiedene Leistungsvorteile gegenüber kommerziell erhältlichen bio-basierten Rohstoffen für Beschichtungen.

1.) Als Binder in Alkydharzen müssen Glycerin, pflanzliche Fettsäuren, mehrwertige Alkohole und Carbonsäuren erst noch zu einem verzweigten Binder polymerisiert werden. Verzweigte Glykan-Derivate als Binder oder zumindest als Binderkomponente bieten eine große Anzahl vernetzbarer Gruppen.
2.) In anderen Beschichtungssystemen (z.B. bioORMOCER^®e) werden bereits unverzweigte Glykane (Chitosan, Nanocellulose) verwendet. Im Vergleich zu linearen Molekülen ermöglicht der verzweigte Charakter von Hemicellulosen den Leistungsvorteil eines hohen Feststoffanteils in wässrigen und wässrig-alkoholischen Lacksystemen und Drucktinten. Denn bei gleichem Molekulargewicht eines unverzweigten und eines verzweigten Polymers weist das verzweigte Molekül eine höhere Löslichkeit auf.
3.) Verzweigte Glykane werden als Papierstärke in großer Menge eingesetzt. Hemicellulosen stellen hier eine Alternative dar, die nicht in Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion steht.

Eine Grundvoraussetzung für den industriellen Einsatz von funktionalen Polymeren in Beschichtungsflüssigkeiten ist, dass sie sich in der Flüssigkeit lösen oder fein dispergieren lassen. Das technische Problem besteht in der begrenzten Löslichkeit der nativen Hemicellulosen aus dem Apfeltrester im wässrigen und insbesondere im wässrig-alkoholischen Milieu. Hemicellulosen aus Apfeltrester lassen sich in Wasser nur in Konzentrationen unter 1 % lösen. Bei höheren Konzentrationen aggregieren die Moleküle. Somit besteht die Notwendigkeit zu einer chemischen Modifikation der Hemicellulosen, die der Aggregierung in wässrigen und wässrig-alkoholischen Lösungen entgegenwirkt. Eine weitere Bedingung für den Einsatz der Glykane in den weit verbreiteten Beschichtungssystemen, die auf Basis von Epoxiden aushärten, besteht darin, dass die Löslichkeit bei pH-Werten zwischen 3 und 7 verbessert wird. Zusätzlich sollte das Herstellungsverfahren der modifizierten Glykane für einen Einsatz als funktionales Polymer kostengünstig und ressourcenschonend sein. Das Herstellungsverfahren sollte daher vorzugsweise auf möglichst wenige Schritte begrenzt sein. Bisher gelang kein derartiges Verfahren zur Herstellung von den entsprechenden Glykan-Derivaten aus Apfeltrester.
Das technische Problem der begrenzten Löslichkeit von Glykanen in wässrigen oder wässrig-alkoholischen Lösungen wurde bisher durch chemische Funktionalisierungen der Glykane gelöst. Die Aggregierung von Makromolekülen in Wasser und wässrig-alkoholischen Lösungen lässt sich durch den Einbau von geladenen Gruppen verringern, die dem Molekül eine positive oder negative Gesamtladung oder zumindest eine Oberflächenladung verleihen. Kommerziell verfügbar sind entsprechende Glykan-Ether und Glykan-Ester von Stärke und Cellulose. Unter den Ethern sind Carboxymethyl-Derivate besonders bekannt. Carboxymethyl-Derivate tragen bei einem pH-Wert des Mediums im Bereich des pKs-Wertes der Carboxylgruppe (ca. 4) und darunter keine Ladung, so dass die Löslichkeit von Carboxymethyl-Derivaten für Epoxidharzsysteme nicht passend ist.
Gemäß dem bisherigen Stand der Technik kann die Extraktion von Hemicellulose z.B. durch eine alkalische Extraktion, alkalische Peroxid-Extraktion, Heißwasser-Extraktion, Dampfbehandlung, Mikrowellenbehandlung und ionische Flüssigkeitsextraktion erfolgen. Oftmals beinhaltet die Hemicellulosen-Gewinnung eine Vorbehandlung mit verdünnter Säure, die oft 0,5 bis 1 % Schwefelsäure beinhaltet. Speziell die Hemicellulosen aus Apfeltrester werden bisher hauptsächlich durch Extraktionsverfahren mittels Lauge gewonnen. Die Reaktionsbedingungen für Temperatur und Zeit können variieren und liegen bei 70 bis 100 °C und 30 min bis 4 h. Oftmals beinhaltet diese Hemicellulosen-Gewinnung eine saure Vorbehandlung um Pektine zu entfernen.
Ausgehend hiervon war es somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiges und ressourcenschonendes Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten anzugeben. Zudem war es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein kostengünstiges und ressourcenschonendes Verfahren anzugeben, mit welchem funktionalisierte Glykane hergestellt werden können, die eine hohe Wasserlöslichkeit aufweisen.
Diese Aufgaben werden bezüglich eines Verfahrens zur Gewinnung von Glykan-Extrakten mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bezüglich eines Verfahrens zur Herstellung funktionalisierter Glykane mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Anspruch 15 betrifft ein mit dem Verfahren herstellbares oder hergestelltes funktionalisiertes Glykan und Anspruch 16 dessen Verwendung. Die abhängigen Patentansprüche stellen dabei vorteilhafte Weiterbildungen dar.
Erfindungsgemäß wird somit ein Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten angegeben, bei welchem

a) eine Mischung umfassend Apfeltrester und Wasser bereitgestellt wird,
b) die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen wird, bei welcher mindestens ein Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser extrahiert wird, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das mindestens eine Glykan enthält,
c) mindestens ein Alkohol zu dem wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben wird, wodurch ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt wird, der das mindestens eine Glykan enthält, und
d) der feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit abgetrennt wird.

Glykane werden auch als Polysaccharide bezeichnet. Bei ihnen handelt es sich um Kohlenhydrate, in denen eine große Anzahl (vorzugsweise mindestens elf) Monosaccharide über eine glycosidische Bindung verbunden sind. Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Glykan um ein Gemisch aus Glykanen bzw. Polysacchariden, insbesondere ein Gemisch aus verzweigten Glykanen bzw. verzweigten Polysacchariden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Glykan um Hemicellulose. Hemicellulose ist ein Sammelbegriff für in pflanzlicher Biomasse vorkommende Gemische von Polysacchariden in veränderlicher Zusammensetzung.
In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst eine Mischung bereitgestellt, die sowohl Apfeltrester als auch Wasser umfasst. Beispielsweise kann die Mischung dadurch bereitgestellt werden, dass der Apfeltrester mit Wasser (und optionalen weiteren Komponenten) vermischt wird. Bei Apfeltrester handelt es sich um Pressrückstände, die beim Pressen von Äpfeln anfallen, z.B. bei der Herstellung von Apfelsaft. Apfeltrester hat einen hohen Zuckergehalt und enthält Glykane. Die in Schritt a) bereitgestellte Mischung kann aus Apfeltrester und Wasser bestehen. Alternativ kann die in Schritt a) bereitgestellte Mischung zusätzlich zu Apfeltrester und Wasser auch eine oder mehrere weitere Komponenten enthalten. Diese weitere(n) Komponente(n) können zumindest teilweise im Wasser gelöst sein. Somit kann die Mischung auch eine wässrige Lösung enthalten.
In Schritt b) wird die in Schritt a) bereitgestellte Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen. Bei dieser wird mindestens ein im Apfeltrester enthaltenes Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser bzw. die wässrige Lösung extrahiert. Auf diese Weise wird ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten, der das mindestens eine Glykan enthält. Die Extraktionsbehandlung kann bei erhöhter Temperatur, z.B. im Bereich von 80 °C bis 300 °C, erfolgen. Im Anschluss an Schritt b) kann der wässrige Glykan-Extrakt vorzugsweise vom festen Anteil der Mischung, d.h. den festen Resten des Apfeltresters, abgetrennt werden.
In Schritt c) wird dann mindestens ein Alkohol zu dem in Schritt b) erhaltenen wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben. Durch die Zugabe des Alkohols wird ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt, der das mindestens eine Glykan enthält. Es wird in Schritt c) somit eine Mischung erhalten, die einen festen Anteil mit dem festen Glykan-Extrakt und einen flüssigen Anteil enthält. Als Alkohol kann beispielsweise Ethanol, Methanol oder Isopropanol verwendet werden.
In Schritt d) wird der in Schritt c) erhaltene feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit bzw. vom flüssigen Anteil der Mischung aus Schritt c) abgetrennt. Dies kann beispielsweise durch Filtration oder Zentrifugation erfolgen. Im Anschluss an Schritt d) kann der feste Glykan-Extrakt vorzugsweise getrocknet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorteilhafterweise nur sehr wenige Schritte umfassen. Zudem handelt es sich bei dem als Ausgangsstoff verwendeten Apfeltrester um ein kostengünstiges und leicht zugängliches Naturprodukt. Ferner wird durch die Verwendung eines Extraktionsverfahrens in Kombination mit der Fällung durch Zugabe eines Alkohols eine einfache Möglichkeit zur Gewinnung von Glykanen aus Apfeltrester bereitgestellt. In der Folge ist das erfindungsgemäße Verfahren kostengünstig und ressourcenschonend.
Durch die Verwendung eines wässrigen Extraktionsmittels kann der nach der Extraktion zurückbleibende Rest des Apfeltresters weiter als Futtermittel verwendet werden. Auch dies macht das Verfahren ressourcenschonend und nachhaltig.
Gesamt betrachtet stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit ein kostengünstiges und ressourcenschonendes Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten dar.
Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass die in Schritt a) bereitgestellte Mischung ein Massenverhältnis von Apfeltrester zu Wasser von 1:2 bis 1:50, bevorzugt von 1:5 bis 1:30, besonders bevorzugt von 1:10 bis 1:25, aufweist. Durch Verwendung eines solchen Massenverhältnisses kann ein besonders hoher Anteil des im Apfeltresters enthaltenen Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser bzw. die wässrige Lösung extrahiert werden.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der in der in Schritt a) bereitgestellten Mischung enthaltene Apfeltrester entpektinisiert. Vorzugsweise wird für das Verfahren entpektinisierter Apfeltrester verwendet. Alternativ kann der Apfeltrester auch im Rahmen des Verfahrens vor Schritt a) entpektinisiert werden. Die Entpektinisierung kann z.B. durch Behandlung des Apfeltresters mit einer Säure, z.B. Schwefelsäure, erfolgen. Durch die Verwendung von entpektinisiertem Apfeltrester enthält das hergestellte funktionalisierte Glykan weniger Stoffe, die dessen Qualität beeinträchtigen. Insbesondere ist der Proteingehalt geringer.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionsbehandlung in Schritt b)

- bei einer Temperatur in einem Bereich von 80 °C bis 300 °C, bevorzugt in einem Bereich von 100 °C bis 250 °C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 140 °C bis 200 °C, und/oder
- über einen Zeitraum von 20 Minuten bis 8 Stunden, bevorzugt von 60 Minuten bis 4 Stunden, besonders bevorzugt von 90 Minuten bis 150 Minuten,

Vorzugsweise kann das Extraktionsverfahren in Schritt b) ein Perkolationsverfahren umfassen. Dies eignet sich insbesondere für die Durchführung im industriellen Maßstab. Hierbei kann vorzugsweise eine Zirkulationsdauer (des Wassers) verwendet werden, die in einem Bereich von 0,1 min bis 5,0 min, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,5 min bis 3,0 min, ganz besonders bevorzugt in einem Bereich von 1,0 min bis 1,5 min, liegt. Hierbei kann die Durchflussgeschwindigkeit (des Wasser) 50 l/min und das Extraktvolumen (inkl. Leitungen und Wärmetauscher) 60 Liter betragen.
Im Labormaßstab kann das Extraktionsverfahren beispielsweise in einer Druckaufschlusstemperatur ohne Rührer durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zwischen den Schritten b) und c) der wässrige Glykan-Extrakt vom Feststoff abgetrennt. Mit anderen Worten wird hierbei der wässrige Glykan-Extrakt vom festen Anteil der Mischung, d.h. den festen Resten des Apfeltresters, abgetrennt. Auf diese Weise kann das weitere Verfahren vereinfacht werden, da so beispielsweise in Schritt d) eine sehr einfache Abtrennung des festen Glykan-Extrakts von der Flüssigkeit ermöglicht wird, ohne dass hierbei das Risiko besteht, dass noch vorhandene Reste des Apfeltresters mit abgetrennt werden.
Vorzugsweise wird der wässrige Glykan-Extrakt zwischen den Schritten b) und c) durch eine Methode vom Feststoff abgetrennt, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Zentrifugation und Kombinationen hiervon. Auf diese Weise kann eine einfache und saubere Abtrennung erreicht werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass der mindestens eine Alkohol

- ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Methanol, Isopropanol und Mischungen hiervon, und/oder
- solange zum wässrigen Glykan-Extrakt zugegeben wird, bis er im (bei der Zugabe des mindestens einen Alkohols zum wässrigen Glykan-Extrakt) entstehenden Gemisch in einer Konzentration vorliegt, die im Bereich von 50 Vol.-% bis 99 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 60 Vol.-% bis 90 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 65 Vol.-% bis 85 Vol.-%, liegt.

Mit Ethanol, Methanol, Isopropanol oder Mischungen aus diesen kann eine besonders einfache und saubere Fällung des festen Glykan-Extrakts erreicht werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Alkohol um Ethanol, da hier der ausgefällte feste Glykan-Extrakt nur wenige Verunreinigungen aufweist.
Verunreinigungen im festen Glykan-Extrakt kann auch durch die passende Wahl der Konzentration des Alkohols entgegengewirkt werden. So führt eine Konzentration des mindestens einen Alkohols im (bei der Zugabe des Alkohols zum wässrigen Glykan-Extrakt) entstehenden Gemisch im Bereich von 50 Vol.% bis 99 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 60 Vol.-% bis 90 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 65 Vol.-% bis 85 Vol.-%, zu weniger Verunreinigungen im festen Glykan-Extrakt.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Abtrennen des festen Glykan-Extrakts von der Flüssigkeit in Schritt d) durch eine Methode, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zentrifugation, Filtration und Kombination hiervon. Auf diese Weise kann der feste Glykan-Extrakt auf einfache Weise von der Flüssigkeit abgetrennt werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der feste Glykan-Extrakt nach Schritt d) getrocknet wird. Auf diese Weise wird eine einfachere Umsetzung des im festen Glykan-Extrakt enthaltenen mindestens einen Glykans mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan ermöglicht. Vorzugsweise erfolgt das Trocknen im Vakuum bei Temperaturen unter 25 °C, besonders bevorzugt im Vakuum bei Temperaturen unter 5 °C. So kann eine möglichst vollständige und gleichzeitig schonende Trocknung erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane, bei welchem zunächst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakte ein fester Glykan-Extrakt aus Apfeltrester gewonnen wird, der mindestens ein Glykan enthält, und danach

e) das mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt wird.

Erfindungsgemäß wird somit auch ein Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane angegeben, bei welchem

a) eine Mischung umfassend Apfeltrester und Wasser bereitgestellt wird,
b) die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen wird, bei welcher mindestens ein Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser extrahiert wird, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das mindestens eine Glykan enthält,
c) mindestens ein Alkohol zu dem wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben wird, wodurch ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt wird, der das mindestens eine Glykan enthält,
d) der feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit abgetrennt wird, und
e) das mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt wird.

In Schritt e) wird schließlich das (im in Schritt d) abgetrennten festen Glykan-Extrakt enthaltene) mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass der (in Schritt d) abgetrennte) feste Glykan-Extrakt in einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, gelöst wird, die dabei entstehende Lösung mit dem mindestens einen Amin versetzt wird, und die so erhaltene Reaktionsmischung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird.
Dadurch, dass das funktionalisierte Glykan aus einem aus Apfeltrester gewonnenen Glykan und einem Amin hergestellt ist, weist es eine sehr hohe Löslichkeit in Wasser und Alkohol-Wasser-Mischungen auf. Die pKs-Werte von primären Aminogruppen liegen über 9, so dass es nur oberhalb von pH 9 zu einer Abnahme der Löslichkeit kommt. Daher werden die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen funktionalisierten Glykane Epoxidharzsystemen gerecht.
Insbesondere ist zu unterstreichen, dass das aus Apfeltrester gewonnene und anschließend mit dem Amin funktionalisierte Glykan im Vergleich zum käuflich erwerblichen und strukturverwandten DEAE-Dextran eine höhere Wasserlöslichkeit aufweist.
Gesamt betrachtet stellt das erfindungsgemäße Verfahren somit ein kostengünstiges und ressourcenschonendes Verfahren dar, mit welchem funktionalisierte Glykane hergestellt werden können, die eine hohe Wasserlöslichkeit aufweisen. Diese funktionalisierten Glykane können somit beispielsweise in Beschichtungen für die Verpackungsindustrie oder als Additiv in der Papierindustrie eingesetzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das mindestens eine funktionalisierte Glykan von Reagenzien und/oder Nebenprodukten abgetrennt. So wird eine Aufreinigung des funktionalisierten Glykans erreicht. Das Abtrennen erfolgt vorzugsweise mittels Dialyse und/oder Diafiltration. Dadurch, dass die in Schritt e) erhaltenen funktionalisierten Glykane eine hohe Löslichkeit in Wasser und in wässrigen Alkohol- oder Acetonlösungen aufweisen, lassen sie sich nicht mit den für industrielle kationische Cellulose und kationische Stärke üblichen Fällungs- und/oder Wasch-Verfahren aufreinigen. Durch Dialyse und/oder Diafiltration kann hingegen eine einfache und gründliche Aufreinigung des funktionalisierten Glykans erreicht werden.
Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Amin ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 2-Chloro-N,N-diethylethylamin, 2-Chloro-N,N-dimethylethylamin, 3-Dimethylamino-1-propylchlorid, 1-(2-Chloroethyl)-pyrrolidin, 1-(2-Chloroethyl)piperidin, 1-(3-Chloropropyl)piperidin, (2-Chloroethyl)trimethylammoniumchlorid, (3-Chloro-2-hydroxypropyl)trimethylammoniumchlorid und Mischungen hiervon. Durch Verwendung dieser speziellen Amine kann ein funktionalisiertes Glykan erhalten werden, dass eine besonders hohe Löslichkeit in Wasser und Alkohol-Wasser-Mischungen aufweist. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem mindestens einen Amin um 2-Chloro-N,N-diethylethylamin. Das durch die Verwendung von 2-Chloro-N,N-diethylethylamin mit dem Verfahren erhaltene Diethylaminoethyl-Glykan (DEAE-Glykan) weist eine hervorragende Löslichkeit in Wasser von 140 mg/ml auf.
In einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Umsetzung in Schritt e) dadurch, dass der feste Glykan-Extrakt in mindestens einem Lösungsmittel gelöst wird, die dabei entstehende Lösung mit dem mindestens einen Amin versetzt wird, und die so erhaltene Reaktionsmischung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird. Auf diese Weise kann eine einfache Funktionalisierung des Glykans in einer einstufigen Umsetzung erreicht werden.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem mindestens einen Lösungsmittel um Wasser. Durch die gute Löslichkeit des Glykans in Wasser kann die Umsetzung in einem homogenen System erfolgen, wodurch eine möglichst vollständige und einfache Umsetzung ermöglicht wird.
Es ist bevorzugt, dass die Temperaturbehandlung in Schritt e)

- bei einer Temperatur in einem Bereich von 10 °C bis 150 °C, bevorzugt in einem Bereich von 30 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 °C bis 70 °C, und/oder
- über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt von 2 Stunden bis 12 Stunden, besonders bevorzugt von 4 Stunden bis 6 Stunden, und/oder
- unter Rühren

Vorzugsweise wird bei der Umsetzung in Schritt e) Natriumhydroxid zur Lösung gegeben, bevor die Lösung mit dem mindestens einen Amin versetzt wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls ein funktionalisiertes Glykan, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane herstellbar oder hergestellt ist. Aufgrund der Herstellung des erfindungsgemäßen funktionalisierten Glykans aus mindestens einem Glykan, welches aus Apfeltrester gewonnen wurde, und mindestens einem Amin, weist das erfindungsgemäße funktionalisierte Glykan eine höhere Löslichkeit in Wasser und Alkohol-Wasser-Gemischen auf als bisher aus dem Stand der Technik bekannte funktionalisierte Glykane.
Im Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen funktionalisierten Glykans als Binder in Lacken, Additiv in Drucktinten, Additiv für die Papierherstellung und/oder Haftvermittler in Bioverbundwerkstoffen.
Die Anwendung als Haftvermittler in Wood Plastic Composites (WPC) und Natural Fibre Composites (NFC) basiert auf der Einführung von Ethylgruppen in das Glykan. Somit entsteht ein Molekül, das aufgrund der freien Hydroxylgruppen eine hohe Affinität zur Cellulose in der Holzfaser oder Naturfaser hat und aufgrund der Ethylgruppen eine gesteigerte Affinität zu thermoplastischen Werkstoffen (Polyethylen, Polypropylen). Nach demselben Prinzip lassen sich auch Propylgruppen an Glykane anlagern. Da anders als bei dem als Haftvermittler gängigen Maleinsäureanhydrid-modifizierten PP die Ankopplung an die Cellulose mittels Wasserstoffbrückenbindung reversibel ist, kann nach Einwirkung starker Scherkräfte die Haftvermittlung wiederhergestellt werden. Dies kommt der Schlagzähigkeit eines Bioverbundwerkstoffs zugute.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll die vorliegende Erfindung näher erläutert werden, ohne diese auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen und Parameter zu beschränken.
Ausführungsbeispiel
Im Ausführungsbeispiel wird eine beispielhafte Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Gewinnung von Glykan-Extrakten sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung funktionalisierter Glykane beschrieben. Hierbei wird zunächst ein Glykan bzw. ein Gemisch aus Glykanen aus Apfeltrester gewonnen. Anschließend kann eine einstufige Aminierung des gewonnenen Glykans bzw. der gewonnenen Glykane durch Anlagerung von DEAE im homogenen System erreicht werden. Der Substituierungsgrad wird durch die Bestimmung des N-Gehalts mittels Elementaranalyse ermittelt.
In 1 wird die Gewinnung des Glykans bzw. der Glykane aus Apfeltrester schematisch im Technikumsmaßstab dargestellt. Zunächst wird in einem Extrakteur 2 eine Mischung umfassend Apfeltrester 1 und Wasser bereitgestellt. Der Apfeltrester wurde dabei bereits vom Hersteller durch eine schwefelsaure Vorbehandlung entpektinisiert. Der Apfeltrester wird ohne weitere Reinigung verwendet. Auf Trockensubstanzbasis enthält das Material der Charge A ca. 4.3% Hemicellulosen und der Charge B ca. 5.8% (nach erweiterter Weender Analyse).
Im Extrakteur 2 wird die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen, bei welcher ein Glykan bzw. mehrere Glykane aus dem Apfeltrester 1 in das Wasser extrahiert werden, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das Glykan bzw. die Glykane enthält. Hierbei wird bei einem Extraktionsvolumen von 60 Liter die Extraktion mit einem Massenverhältnis von Feststoff (d.h. Apfeltrester) zu Wasser von 1:25 durchgeführt. Der Extrakteur 2 wird mit Stickstoff geflutet bzw. gespült und die Suspension bei 145 °C für 90 Minuten im Perkolationsverfahren (50 L/ min) extrahiert. Anschließend wird die Suspension zügig mit Wasser auf 50 °C heruntergekühlt und der wässrige Glykan-Extrakt über eine Filterstation mit Filtern einer Maschenweite von 40 um vom Feststoff 3, d.h. den festen Resten des Apfeltresters, abgetrennt und über ein Rohr 4 in einen Fällungsreaktor 5 geleitet. Im Fällungsreaktor 5 wird ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt, der das Glykan bzw. die Glykane enthält. Die Fällung findet unter Zugabe von Ethanol, welcher aus einem Alkohol-Vorhaltebehälter 6 in den Fällungsreaktor 5 geleitet wird, bis zum Erreichen einer 80%igen-Lösung statt. Die anschließende Isolierung 7 des festen Glykan-Extrakts erfolgt über eine Filterstation mit Nylon-Filament (nominale Porenweite 1 µm). Danach wird der feste Glykan-Extrakt einer Trocknung 8 unterzogen.
Die bei der Isolierung 7 im Fällungsreaktor 5 zurückbleibende Flüssigkeit wird in einen Vorlagereaktor 9 und eine Rektifikationskolonne 10 geleitet, wo eine Rektifikation erfolgt. Das durch die Rektifikation gewonnene Ethanol wird wieder in den Alkohol-Vorhaltebehälter 6 geleitet. Der nach der Rektifikation verbleibende Rest 11 wird abgeführt.
Alternativ zum eben beschriebenen Technikumsmaßstab kann Glykan auch im Labormaßstab aus Apfeltrester gewonnen werden. Im Labormaßstab (Extraktionsvolumen 50 mL) wird die Extraktion mit einem Massenverhältnis von Feststoff zu Wasser von 1:10 für 130 Minuten bei 200 °C in einer Druckaufschluss-Apparatur ohne Rührer behandelt. Der gewonnene Extrakt wird gefiltert und das Apfel-Glykan bzw. Glykan-Gemisch durch Zugabe von Alkohol bei einer Konzentration von 80% (v/v) ausgefällt. Das Apfel-Glykan bzw. Glykan-Gemisch wird abfiltriert. 5% des Anfangsgewichtes werden nach der Trocknung gewonnen.

Das im Technikumsmaßstab und das im Labormaßstab gewonnene Apfel-Glykan bzw. Glykan-Gemisch wurde hinsichtlich des Protein- und Polyphenolgehaltes untersucht sowie die gewichtsmittlere Molmasse und den Zuckeranteil bestimmt. Unabhängig vom Extraktionsprozess liegt der Proteingehalt bei 1.2 % (CHNS - Technikumsmaßstab - C: 30.5/34.9, H: 5.0/5.9, N: 0.2/0.1, S: 3.8/2.3; CHNS - Labormaßstab - C: 35.6, H: 6.2, N: 0.2, S: 1.0) und der Polyphenolgehalt unter 1 %. Die gewichtsmittlere Molmasse schwankt je nach Charge des eingesetzten Apfeltresters zwischen 27 und 36 kDa (kalibriert auf Pullulan). Dies wird durch 2a und 2b verdeutlicht, in denen GPC-Chromatogramme der Apfeltrester-Chargen A (2a) und B (2b) im Technikumsmaßstab dargestellt sind. Diese Schwankung ausgehend von der eingesetzten Apfeltrester-Charge lässt sich ebenfalls bei der Zuckerverteilung beobachten, besonders beim Verhältnis von Glucose zu Galactose. Dies wird durch Tabelle 1 und durch 3a, 3b, 3c und 3d verdeutlicht, wobei 3a bis 3d HPIC-Chromatogramme der Apfeltrester-Chargen A und B im Labor- sowie Technikumsmaßstab zeigt. Des Weiteren zeigt sich eine Abnahme des Gesamtzuckers vom Labor- zum Technikumsmaßstab (65.9 % zu 57.5 %). Tabelle 1: Zuckerverteilung der Apfeltrester Chargen A und B im Labor- sowie Technikumsmaßstab

	Glucose [%]	Galactose [%]	Xylose [%]	Mannose [%]	Arabinose [%]	Gesamt [%]
AT Charge A -Labor-	43,5	19,3	5,9	2,2	1,0	71,8
AT Charge A -Technikum/Labor-	40,9	19,9	6,4	3,5	1,3	72,0
AT Charge B -Technikum/Labor-	32,0	25,0	6,1	2,0	0,8	65,9
AT Charge B -Technikum-	25,5	21,0	7,1	3,1	0,9	57,5

In einem weiteren Schritt kann die Aminierung des Glykans bzw. der Glykane im Glykan-Gemisch im Labormaßstab von 200 mg bis hin zu 15 g des Ausgangsmaterials erfolgen. Das Apfel-Glykan bzw. Glykan-Gemisch wird in Wasser gelöst (30 - 36 w/v%) und unter Rühren Natriumhydroxid (6 Äquivalente) zugegeben. Anschließend wird 2-Chloro-N,N-diethylethylamin Hydrochlorid (3 Äquivalente) zur Reaktionsmischung gegeben und 5 Stunden bei 58 bis 60 °C gerührt. Die Reaktion wird durch Neutralisation der Mischung beendet und 5 bis 7 Tage bei 6 °C gegen Wasser dialysiert. Nach Trocknung erhält man 45 bis 98 % eines beigen Feststoffes. Hierbei nimmt die Ausbeute mit steigender Ansatzgröße ab.
Das gewonnene DEAE-Apfel-Glykan bzw. DEAE-Glykan-Gemisch wurde mittels Elementaranalytik untersucht und anhand des ermittelten Stickstoffgehaltes der Substituierungsgrad (DS) bestimmt (siehe Tabelle 2). Der Stickstoffgehalt liegt bei 3,3 bis 3,8 % und der sich daraus ermittelnde DS liegt bei 0,50 bis 0,58. Tabelle 2: CHNS Analytik der verschiedenen Laboransätze

Ansatzgröße CHNS [%] DS (DEAE)

0,2 g C: 46,2, H: 8,0, N: 3,8, S: 0,2 0,58

2,0 g C: 45,2, H: 8,1, N: 3,5, S: 0,6 0,52

15,0 g C: 44,9, H: 7,6, N: 3,3, S: 0,9 0,50
Dies entspricht einem DEAE-Substituenten pro zwei eventuell drei Glucoseeinheiten, da die Synthese zwei Arten von DEAE-Substituenten in das Glykan-Molekül einführt. Dies wird durch 4 verdeutlicht, in der die chemische Synthese der Aminierung von Apfel-Glykan mit 2-Chloro-N,N-diethylethylamin schematisch dargestellt ist. Der vorherrschende Substituent ist die einzelne tertiäre Gruppe, die jedoch insbesondere bei höherem DS weiter reagiert und eine „Tandem“-Gruppe ergibt, die sowohl ein quaternäres Amin als auch das tertiäre Amin enthält.
Im Vergleich zu dem käuflich erwerblichen DEAE-Dextran (Mw = 10.000 g/mol) zeigt DEAE-Apfel-Glykan ähnliche Eigenschaften in Bezug auf Stickstoffgehalt auf. Der Stickstoffgehalt von DEAE-Dextran beträgt 2,5 bis 4,5 % und der sich daraus zu ermittelnde Substituierungsgrad (DS) liegt bei 0,33 bis 0,75, der Gehalt an DEAE-Glykan liegt mit 3,3 bis 3,8 % und einem DS von 0,50 bis 0,58 genau dazwischen. Die Wasserlöslichkeit von DEAE-Glykan mit 140 mg/ml zeigt eine Verbesserung gegenüber der von DEAE-Dextran mit 100 mg/ml. Dies würde sich beispielsweise durch die stärkere Verzweigung des Apfel-Glykans gegenüber des Dextrans begründen lassen. Neben der Wasserlöslichkeit ließ sich DEAE Apfel-Glykan (40 w/v%) ebenfalls in einem Wasser/Ethanol-Gemisch (60/40) lösen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 200000 t [0002]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Glykan-Extrakten aus Apfeltrester, bei welchem a) eine Mischung umfassend Apfeltrester und Wasser bereitgestellt wird, b) die Mischung einer Extraktionsbehandlung unterzogen wird, bei welcher mindestens ein Glykan aus dem Apfeltrester in das Wasser extrahiert wird, so dass ein wässriger Glykan-Extrakt erhalten wird, der das mindestens eine Glykan enthält, c) mindestens ein Alkohol zu dem wässrigen Glykan-Extrakt hinzugegeben wird, wodurch ein fester Glykan-Extrakt ausgefällt wird, der das mindestens eine Glykan enthält, und d) der feste Glykan-Extrakt von der Flüssigkeit abgetrennt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Mischung ein Massenverhältnis von Apfeltrester zu Wasser von 1:2 bis 1:50, bevorzugt von 1:5 bis 1:30, besonders bevorzugt von 1:10 bis 1:25, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in der in Schritt a) bereitgestellten Mischung enthaltene Apfeltrester entpektinisiert ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Extraktionsbehandlung in Schritt b) - bei einer Temperatur in einem Bereich von 80 °C bis 300 °C, bevorzugt in einem Bereich von 100 °C bis 250 °C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 140 °C bis 200 °C, und/oder - über einen Zeitraum von 20 Minuten bis 8 Stunden, bevorzugt von 60 Minuten bis 4 Stunden, besonders bevorzugt von 90 Minuten bis 150 Minuten, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Schritten b) und c) der wässrige Glykan-Extrakt durch eine Methode vom Feststoff abgetrennt wird, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Filtration, Zentrifugation und Kombinationen hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Alkohol - ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Ethanol, Methanol, Isopropanol und Mischungen hiervon, und/oder - solange zum wässrigen Glykan-Extrakt zugegeben wird, bis er im entstehenden Gemisch in einer Konzentration vorliegt, die im Bereich von 50 Vol.-% bis 99 Vol.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 60 Vol.-% bis 90 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 65 Vol.-% bis 85 Vol.-%, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtrennen des festen Glykan-Extrakts von der Flüssigkeit in Schritt d) durch eine Methode erfolgt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zentrifugation, Filtration und Kombination hiervon.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der feste Glykan-Extrakt nach Schritt d) getrocknet wird, wobei das Trocknen vorzugsweise im Vakuum bei Temperaturen unter 25 °C, besonders bevorzugt im Vakuum bei Temperaturen unter 5 °C, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Glykane, bei welchem zunächst mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ein fester Glykan-Extrakt aus Apfeltrester gewonnen wird, der mindestens ein Glykan enthält, und danach e) das mindestens eine Glykan mit mindestens einem Amin zu mindestens einem funktionalisierten Glykan umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine funktionalisierte Glykan von Reagenzien und/oder Nebenprodukten abgetrennt wird, wobei das Abtrennen vorzugsweise mittels Dialyse und/oder Diafiltration erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Amin ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus 2-Chloro-N,N-diethylethylamin, 2-Chloro-N,N-dimethylethylamin, 3-Dimethylamino-1-propylchlorid, 1-(2-Chloroethyl)-pyrrolidin, 1-(2-Chloroethyl)piperidin, 1-(3-Chloropropyl)piperidin, (2-Chloroethyl)trimethylammoniumchlorid, (3-Chloro-2-hydroxypropyl)trimethylammoniumchlorid und Mischungen hiervon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umsetzung in Schritt e) dadurch erfolgt, dass der feste Glykan-Extrakt in mindestens einem Lösungsmittel, vorzugsweise Wasser, gelöst wird, die dabei entstehende Lösung mit dem mindestens einen Amin versetzt wird, und die so erhaltene Reaktionsmischung einer Temperaturbehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturbehandlung in Schritt e) - bei einer Temperatur in einem Bereich von 10 °C bis 150 °C, bevorzugt in einem Bereich von 30 °C bis 100 °C, besonders bevorzugt in einem Bereich von 50 °C bis 70 °C, und/oder - über einen Zeitraum von 30 Minuten bis 24 Stunden, bevorzugt von 2 Stunden bis 12 Stunden, besonders bevorzugt von 4 Stunden bis 6 Stunden, und/oder - unter Rühren erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Umsetzung in Schritt e) Natriumhydroxid zur Lösung gegeben wird, bevor die Lösung mit dem mindestens einen Amin versetzt wird.
Funktionalisiertes Glykan herstellbar oder hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14.
Verwendung eines funktionalisierten Glykans gemäß Anspruch 15 als Binder in Lacken, Additiv in Drucktinten, Additiv für die Papierherstellung und/oder Haftvermittler in Bioverbundwerkstoffen.