DE19821598A1

DE19821598A1 - Verfahren zum Abbau von Biopolymeren

Info

Publication number: DE19821598A1
Application number: DE1998121598
Authority: DE
Inventors: Michael Skwiercz; Christian Priebe; Rolf Wachter
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1998-05-14
Filing date: 1998-05-14
Publication date: 1999-11-18

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Abbau von Biopolymeren vom Typ Chitin, Chitosan sowie ihrer Derivate durch Behandlung dieser Biopolymere mit ionisierender Strahlung. Die so hergestellten Abbauprodukte zeichnen sich durch Farblosigkeit aus und dunkeln auch bei Lagerung nicht nach. Vorteilhaft ist die durch dieses Verfahren mögliche genaue Einstellung des Molekulargewichtes der Abbauprodukte.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbau von Biopolymeren vom Typ Chitin und seiner Derivate durch Behandlung mit ionisierender Strahlung.

Stand der Technik

Biopolymere vom Typ Chitin liegen in ihrer nativen Form nach Gewinnung z. B. aus Krabbenschalen als hochmolekulare Substanzen vor. Erst über einen Abbau der Biopolymere gelangt man zu niedermolekularen Formen, deren Lösungen eine entsprechend geringere Viskosität aufweisen. Nur dieser gezielte und stufenweise Abbau ermöglicht den Einsatz dieser Biopolymere in einer Vielzahl von Anwendungen. Dementsprechend finden sich in der Literatur mehrere Ansätze zum partiellen Abbau von Chitin, Chitosan und ihrer Derivate. In Carbohydrate Polymers 23 (1994), 253-260 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem Chitosane mittels Lysozym abgebaut werden, in Enzyme Microbial Technology, 17 (1995), 541-545 werden Chitosane und seine Derivate mit Hilfe einer Lipase-Fraktion aus Weizenkeimen abgebaut. Bei diesen enzymatischen Verfahren können jedoch Rückstände der jeweiligen Enzyme im Produkt nicht ausgeschlossen werden, dies ist insbesondere hinsichtlich einer möglichen Allergie-Auslösung unerwünscht. Ein weiterer Ansatz besteht in der Temperatur/Druckbehandlung von Deacetylierungsprodukten des Chitins, wie z. B. der DE-A1 195 03 465 (Henkel) beschrieben. Allerdings werden durch dieses Verfahren Produkte erhalten, die durch eine bimodale Molmassenverteilung gekennzeichnet sind. Dies limitiert ihren Einsatz z. B. als Filmbildner. Als weiteres Verfahren ist der peroxidinizierte Abbau bekannt (DE-C2 195 37 001, Henkel). Dieses Verfahren liefert zwar Produkte mit monomodaler Molmassenverteilung, die Produkte sind jedoch wegen schlechter Farbstabilität in ihrem Einsatz eingeschränkt. Nachteilig an allen geschilderten Verfahren ist weiterhin, daß ein gezielter, stufenweiser Abbau schwierig ist. Dies ist aber gerade hinsichtlich der vielen verschiedenen Einsatzgebiete dieser Polymere und den sich daraus ergebenden unterschiedlichen Anforderungen an das Molekulargewicht und die Viskosität erforderlich.

Die komplexe Aufgabe der vorliegenden Erfindung hat somit darin bestanden, ein Verfahren zu entwickeln, daß es ermöglicht, Biopolymere von Typ Chitin, Chitosan sowie ihre Derivate gezielt zu einem bestimmten Molekulargewicht abzubauen und gleichzeitig Produkte zu erhalten, die hinsichtlich ihres Einsatzes weder durch Rückstände im Produkt noch durch unerwünschte (bimodale) Molmassenverteilung eingeschränkt sind. Des weiteren ist es erforderlich, farblose Produkte zu erhalten, die auch über einen längeren Zeitraum nicht nachdunkeln und somit problemlos z. B. in kosmetischen Produkten eingesetzt werden können. Darüber hinaus sollte das Verfahren einfach durchzuführen sein und gleichzeitig die Menge des abzubauenden Polymers variabel sein.

Wünschenswert wäre darüber hinaus eine gleichzeitige Konservierung der abgebauten Polymere. Dies würde z. B. einen geringeren Einsatz von Konservierungsstoffen im Endprodukt ermöglichen.

Beschreibung der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Abbau von Biopolymeren vom Typ Chitin, Chitosan und ihrer Derivate, bei dem man diese Biopolymere mit ionisierender Strahlung behandelt.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß durch die Behandlung mit ionisierender Strahlung eine gezielte Einstellung des Molekulargewichtes sowie eine monomodale Molmassenverteilung erreicht werden kann. Die so erhaltenen Produkte sind überraschenderweise farblos und dunkeln bei der Lagerung nicht nach. Des weiteren werden in den Produkten aufgrund der Bestrahlung mit ionisierender Strahlung Restkeime abgetötet.

Chitin, Chitosan und ihre Derivate

Unter Chitinen sind aminozuckerhaltige Polysaccharide der allgemeinen Formel (C₈H₁₃NO₅)_x zu verstehen, die üblicherweise Molekulargewichte in der Größenordnung von durchschnittlich 500.000 bis 5.000.000 Dalton aufweisen. Chitine bestehen aus Ketten von β-1,4-glykosidisch verknüpften N-Acetyl- D-Glucosamin-Resten. Chitinderivate sind z. B. carboxymethylierte Chitine, wie in J. Polym. Sci., Ser. B, 37, 528 (1995) beschrieben oder auch ethoxylierte, propoxylierte oder alkylierte Derivate des Chitins. Chitosane sind - chemisch betrachtet - partiell deacetylierte Chitine unterschiedlichen Molekularge wichtes, die den folgenden - idealisierten - Monomerbaustein enthalten:

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 entgegengesetzt geladenen Oberflächen in Wechselwirkung treten und werden daher in kosmetischen Haar- und Körperpflegemitteln sowie pharmazeutischen Zubereitungen eingesetzt (vgl. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Sth Ed., Vol. A6, Weinheim, Verlag Chemie, 1986, S. 231-232). Übersichten zu diesem Thema sind auch beispielsweise von B. Gesslein et al. in HAPPI 27, 57 (1990), O. Skaugrud in Drug Cosm. 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, vorzugsweise den Schalenresten von Krustentieren aus, die als billige Rohstoffe in großen Mengen zur Verfügung stehen. Das Chitin wird dabei in einem Verfahren, das erstmals von Hackmann et al. beschrieben worden ist, 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 verteilt sein können. Entsprechende Verfahren sind beispielsweise aus Makromol. Chem. 177, 3589 (1976) oder der französischen Patentanmeldung FR-A 2701266 bekannt. Vorzugsweise werden solche Typen eingesetzt, wie sie in den deutschen Patentanmeldungen DE-A1 44 42 987 und DE-A1 195 37 001 (Henkel) offenbart werden und die ein durchschnittliches Molekulargewicht von 800.000 bis 1.200.000 Dalton, eine Viskosität nach Brookfield (1 Gew.-%ig in Glycolsäure) unterhalb von 5000 mPas, einen Deacetylierungsgrad im Bereich von 80 bis 88% und einem Aschegehalt von weniger als 0,3 Gew.-% aufweisen. Neben den Chitosanen als typischen kationischen Biopolymeren kommen im Sinne der Erfindung auch anionisch bzw. nichtionisch derivatisierte Chitosane, wie z. B. Carboxylierungs-, Succinylierungs- oder Alkoxylierungsprodukte in Frage, wie sie beispielsweise in der deutschen Patentschrift DE-C2 37 13 099 (L'Oreal) sowie der deutschen Patentanmeldung DE-A1 196 04 180 (Henkel) beschrieben werden. Des weiteren kommen im Sinne der Erfindung auch kationisch derivatisierte Chitosane, wie z. B. quaternisierte Chitosane in Frage.

Behandlung mit ionisierender Strahlung

Die Behandlung mit ionisierender Strahlung zum Zweck der Entkeimung ist für Lebensmittel (z. B. Gewürze) sowie vor allem für medizinische Produkte, wie Kanülen, Spritzen, Nadeln etc. zur Keimhemmung und Sterilisierung bekannt. Unter dem Begriff ionisierende Strahlung werden Elektronenstrahlen (β-Strahlung) sowie elektromagnetisch Wellen (Röntgenstrahlen und γ-Strahlen) zusammengefaßt. Bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung von γ-Strahlen zum Abbau von Chitin, Chitosan und ihrer Derivate. Als γ-Strahlen aussendende Quellen sind Kobalt- 60 und Cäsium-137 geeignet, in der Regel wird mit Kobalt-60 gearbeitet. Die Bestrahlung erfolgt in an sich bekannten Bestrahlungsanlagen. Als Maß für die Bestrahlung dient die von dem bestrahlten Gut aufgenommene Enerergiedosis, die in Kilogray (kGy) angegeben wird. Die vorliegende Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß der Grad des Abbaus über die absorbierte Energiedosis gesteuert werden kann. Dabei ist die Ausgangsviskosität der Biopolymere nicht entscheidend, vielmehr lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Biopolymere unterschiedlichster Ausgangsviskosität bzw. Molekulargewichtes zu einheitlichen Produkten abbauen.

Je nach gewünschtem Abbaugrad wird die Bestrahlung mit Energiedosen im Bereich von 0,5 bis 100 kGy durchgeführt. Dabei kann man die verwendeten Energiedosen in 3 Bereiche einteilen: Niedere Strahlendosen bis zu 10 kGy, mittlere Dosen im Bereich von 10 bis 50 kGy, sowie Dosen von 50 bis 100 kGy. Besonders bevorzugt im Sinne der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung der γ- Strahlung im mittleren Dosisbereich von 10 bis 50 kGy.

Die vorliegende Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß durch die Bestrahlung der Biopolymere, selbst mit Strahlung der niedrigen Energiedosis, die Keimbelastung im Endprodukt weitgehend verringert wird und eine Kontamination des Endproduktes (z. B. des kosmetischen Mittels, in dem das abgebaute Biopolymer eingesetzt wird) ausgeschlossen werden kann.

Die vorliegende Erfindung schließt weiterhin die Erkenntnis ein, daß man zu molekulargewichts verringerten Chitosanen auch gelangen kann, indem man zuerst Chitine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren abbaut und dann nach an sich bekannten Methoden deacetyliert.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Möglichkeit jede gewünschte Menge an Chitin, Chitosan sowie ihrer Derivate mit geringem Aufwand abzubauen. So ist es möglich kleine Gebinde bis hin zu ganzen Paletten zu bestrahlen. Da der Abbau auch in der Endverpackung des jeweiligen Biopolymers erfolgen kann, ist die Gefahr einer erneuten Kontamination vernachlässigbar. Das Biopolymer wird in der Regel in Pulverform eingesetzt, ebenso ist aber auch die Bestrahlung einer Lösung oder einer fertigen Formulierung (z. B. eines kosmetischen Mittels) möglich.

Die erfindungsgemäß abgebauten Biopolymere zeichnen sich weiterhin durch eine relativ enge Molekulargewichtsverteilung aus.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Abbauprodukte des Chitin, Chitosans und ihrer Derivate zeichnen sich durch ihre Farblosigkeit aus. Zusätzlich dunkeln die so abgebauten Biopolymere bei der Lagerung nicht nach und eignen sich deshalb besonders für den Einsatz in kosmetischen Mitteln. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren mögliche genaue Einstellung der Viskosität, erlaubt den Einsatz der so hergestellten Biopolymere in jeder gewünschten Anwendung, wie z. B. in kosmetischen oder pharmazeutischen Mitteln sowie in Wasch-, Spül- und Reinigungsmitteln, aber auch in Wundauflagen und Textilien sowie in Lebensmitteln. Da die so abgebauten Biopolymere durch die Bestrahlung keimarm sind, sind bei ihrer Verwendung - im Gegensatz zu den Biopolymeren, die nach bisher üblichen Methoden abgebaut wurden - keine weiteren Konservierungsmittel notwendig. Der Einsatz von Konservierungsmittel wird weiterhin dadurch reduziert, daß die Bestrahlung direkt in der Endverpackung erfolgt und somit eine mögliche, erneute Kontamination der Produkte vermieden werden kann. Auch ist der Einsatz der so abgebauten Biopolymere in Lebensmitteln unbedenklich, da eine Bestrahlung bis zu 10 kGy als toxikologisch unbedenklich angesehen wird.

Beispiele Beispiel 1 Abbau von Chitosan mittels Gamma-Bestrahlung

10 g Chitosanpulver (Hydagen-CMFP, Henkel KGaA; Deacetylierungsgrad mind. 80%, Viskosität 2150 mPas) wurden in 100 ml-HDPE (high density polyethylene)-Flaschen abgefüllt und einer Kobalt- 60 Quelle ausgesetzt. Mit Hilfe von Dosimetern wurde die Oberflächendosis in kGy gemessen. Dabei wurden bis zum Erreichen einer Oberflächendosis von 25,3 kGy (Bsp. 1a), 12,1 kGy (Bsp. 1b), 9,5 kGy (Bsp. 1c) und 4,9 kGy (Bsp. 1d) bestrahlt.

Beispiel 2 Abbau von Chitin mittels Gamma-Bestrahlung

Beispiel 1 wurde wiederholt, jedoch wurde statt Chitosan Chitin (Wassergehalt von 80%) eingesetzt und bis zu einer Oberflächendosis von 2,5 kGy bestrahlt. Nachfolgend wurde das bestrahlte Chitin zu Chitosan deacetyliert. Die Viskosität einer 1,0 gew.-%igen glykolsauren Lösung eines so hergestellten Chitosans betrug 225 mPas. Erfolgte die Deacetylierung ohne vorherigen (erfindungsgemäßen) Abbau des Chitins durch Bestrahlung, betrug die Viskosität 1800 mPas.

Beispiel 3 (Vergleichsbeispiele) Abbau von Chitosan mittels Peroxidbehandlung

Die nachfolgenden Konzentrationsangaben des Wasserstoffperoxids beziehen sich auf g Aktivsubstanz H₂O₂ pro 100 g wasserfreies Chitosan.

Beispiel 3a) Abbau mit 1,0% Wasserstoffperoxid

200 g Chitosan (Hydagen-CMFP, Henkel KGaA; Deacetylierungsgrad mind. 80%) wurden mit Wasser auf eine Endfeuchte von 30 Gew.-% eingestellt. Danach erfolgte die Zugabe von Wasserstoffperoxid (1,0 g Aktivsubstanz H₂O₂ pro 100 g wasserfreies Chitosan). In einem beheizbaren Doppelmantelreaktor wurden der Ansatz unter Rühren auf 55°C aufgeheizt und für 90 min. bei dieser Temperatur belassen. Dann wurde der Restperoxidgehalt überprüft (Peroxid-Zahl nach Wheeler, DGF- Methode C-VI 6a (84)) und gegebenenfalls weiter erhitzt. Sobald kein Restperoxid mehr nachweisbar war, wurde ein Vakuum bis 50 mbar angelegt und das Chitosan bei 65°C getrocknet. Nach 150 min. enthielt das abgebaute Chitosan weniger als 5% Restfeuchte.

Beispiel 3b) Abbau mit 0.35% Wasserstoffperoxid

Beispiel 3a) wurde wiederholt, jedoch wurden statt 1,0 g H₂O₂, 0,35 g H₂O₂ pro 100 g wasserfreies Chitosan eingesetzt.

Beispiel 3c) Abbau mit 0,1% Wasserstoffperoxid

Beispiel 3a) wurde wiederholt, jedoch wurden statt 1,0 g H₂O₂ 0,1 g H₂O₂ pro 100 g wasserfreies Chitosan eingesetzt.

Beispiel 4) Großtechnischer Ansatz zum Abbau von Chitosan

1,0 kg Chitosanpulver (Hydagen-CMFP, Henkel KGaA; Deacetylierungsgrad mind. 80%) wurden in HDPE (high density polyethylene)-Säcken abgefüllt und einer Kobalt-60 Quelle ausgesetzt. Dabei wurden Bestrahlungsdosen wie im Beispiel 1 gewählt. Hinsichtlich der Eigenschaften der abgebauten Chitosane ergaben sich keine Unterschiede zwischen den Proben nach Beispiel 1 und 4. Somit ist das Verfahren auch für die Bestrahlung größerer Mengen von Biopolymeren geeignet.

Viskositätsmessung

Zur Bestimmung der Viskosität wurde eine 1,0 gew.-%ige Chitosanlösung in 0,4 gew.-%iger wäßriger Glykolsäurelösung hergestellt. Der pH-Wert der Lösung lag bei 4,0 bis 4, 4 und wurde gegebenenfalls über die Zugabe weiterer Glykolsäure eingestellt. Die Messung der Viskosität erfolgte bei 20°C mit einem Brookfield Viskosimeter Typ RVT Spindel 1, 10 Upm (bis 1000 mPas) bzw. Spindel 3, 20 Upm.

Farbzahlmessung

Die Farbzahl wurde direkt nach der Herstellung der 1,0 gew.%igen Chitosanlösung in 0,4 gew.-%iger wäßriger Glykolsäurelösung nach dem Lovibond Farbzahlsystem in einer 5,25 Zoll Küvette gemessen. Es wurden Doppelbestimmungen des Gelb- (Ly) und Rotwertes (Lr) durchgeführt. Die Messungenauigkeit liegt bei ± 0,1 Einheiten. Je kleiner die Farbzahl, um so farbloser die Lösung.

Zur Untersuchung der Farbstabilität der bei Lagerung wurde die Lovibond Farbzahl in einer 2,0 gew.- %igen Chitosan Lösung wie oben angegeben bestimmt.

Ergebnisse

Tab. 1 zeigt die Ergebnisse für Viskosität und Farbzahlen für die erfindungsgemäß abgebauten Chitosane (Bsp. 1a bis 1d) im Vergleich zu den peroxidabgebauten Chitosanen (Bsp. 3a bis 3c). Beim Abbau zu vergleichbaren Viskositäten liegen die Farbzahlen für die mittels Gammastrahlung abgebauten Chitosane immer deutlich unter denen der peroxid-abgebauten Chitosane. Das bedeutet, das erfindungsgemäße Verfahren liefert durchgängig hellfarbigere Produkte. Des weiteren sind diese auch bei der Lagerung deutlich farbstabiler als die peroxid-abgebauten Chitosane. Diese Farbwerte bei Lagerung sind in Tab. 2 zusammengefaßt. Die Entwicklung der Ly-Farbzahlen ist nochmals grafisch in Abb. 1 dargestellt.

Tab. 1

Farbzahlen der unterschiedlich abgebauten Chitosane

Sowohl die Viskositätsmessung als auch die Bestimmung der Farbzahlen erfolgte in 1,0 gew.-%igen glycolsauren Lösungen.

Tab. 2

Ly- und Lr-Farbzahlen bei Lagerung (Messung in 2,0 gew.%igen glycolsauren Lösungen)

Abb. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Bestrahlungsdosis und Viskosität. Wie aus der Abbildung ersichtlich, ist es möglich das Molgewicht und somit die Viskosität des abgebauten Chitosans über die Bestrahlungsdosis genau zu steuern. Des weiteren ist ersichtlich, daß aus Chitosanen unterschiedlichster Ausgangsviskosität einheitliche Produkte erhalten werden können.

Claims

1. Verfahren zum Abbau von Biopolymeren vom Typ Chitin und/oder Chitosan sowie ihrer Derivate, dadurch gekennzeichnet, daß man diese Biopolymere ionisierender Strahlung aussetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als ionisierende Strahlung γ- Strahlung einsetzt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierte Energiedosis 0,5 bis 100 kGy beträgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Chitosane anionisch derivatisierte Chitosane einsetzt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennezeichnet, daß man als Chitosane nicht ionisch derivatisierte Chitosane einsetzt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Chitosane kationisch derivatisierte Chitosane einsetzt.