DE4132701A1 - Verfahren zur herstellung von staerkeabbauprodukten mit einer engen molekulargewichtsverteilung - Google Patents

Verfahren zur herstellung von staerkeabbauprodukten mit einer engen molekulargewichtsverteilung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Stärkeabbauprodukten mit einer engen Molekulargewichtsvertei­ lung.
Für viele Anwendungen in Diätetik und Medizin werden heute Stärkeprodukte eingesetzt, die zur Erzielung bestimmter tech­ nologischer oder physiologischer Eigenschaften, wie z. B. Löslichkeit, Viskositätsverhalten in Lösung, Quellungs- und Verkleisterungsverhalten, Verdaulichkeit, aus nativen Stärken durch partiellen Abbau hergestellt werden.
Gängige Verfahren sind hierbei Hitze- und/oder Säurebehand­ lung, wobei die sogenannten Pyrodextrine bzw. säuremodifi­ zierten Stärken erhalten werden (vgl. O. B. Wurzburg, Modified Starches: Properties and Uses, CRC-Press Boca Raton, Florida, 1986, S. 18-38). Eine weitere Möglichkeit besteht im sogenann­ ten mechanolytischen Abbau, wobei eine Molekulargewichtsredu­ zierung durch trockene Schwingmahlung erreicht wird (vgl. Richter, Augustat, Schierbaum: Ausgewählte Methoden der Stär­ kechemie, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft Stuttgart 1968, S. 51-53). Obwohl es sich dabei um eine elegante Metho­ de handelt, wurde sie bisher nur im Labormaßstab angewendet und ist für einen technischen Maßstab kaum geeignet.
Für medizinische Zwecke, wie z. B. als Zwischenprodukt für die Herstellung des Plasmaersatzmittels Hydroxyethylstärke (HES), werden bisher entweder mit Säure (vgl. US-A 35 23 939) oder mit amylolytischen Enzymen (vgl. DE-C 33 13 600) abgebaute Stärken verwendet. Pyrodextrine sind hier nicht einsetzbar, da in diesen die native Stärkestruktur weitgehend verändert ist. Sowohl beim Abbau mit Säuren als auch mit Enzymen ent­ stehen zunächst Produkte mit sehr weiter Molekulargewichts­ verteilung, von denen die unerwünschten niedermolekularen Anteile (Glucose, Maltose, Oligo- und Polysaccharide bis ca. 30 000 Dalton) durch Fällung mit organischen Lösungsmitteln, wie z. B. Aceton, durch Ultrafiltration oder Dialyse vor oder nach Derivatisierung entfernt werden müssen. Hierbei treten naturgemäß erhebliche Ausbeuteverminderungen auf (vgl. die vorstehend genannten Patentpublikationen). In allen Fällen ist aber ein Endprodukt mit möglichst enger Molekulargewichtsver­ teilung und einem definierten mittleren Molekulargewicht, das gewöhnlich als Gewichtsmittel w angegeben wird, erforder­ lich.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren zur Herstellung von Stärkeabbauprodukten mit einer engen Molekulargewichtsverteilung zu schaffen, mit dem die vorste­ hend beschriebenen Nachteile, insbesondere unerwünschte nie­ dermolekulare Anteile, weitgehend vermieden werden können und mit dem ein effizienter Abbau zu den gewünschten Produkten mit hohen Ausbeuten durchgeführt werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Ver­ fahren zur Herstellung von Stärkeabbauprodukten mit enger Molekulargewichtsverteilung, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine native Stärke, ein Stärkederivat, eine teilhydrolysierte Stärke oder ein teilhydrolysiertes Stärke­ derivat in wäßriger Dispersion, Suspension oder Lösung der Einwirkung von Ultraschall unterwirft.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß ein effizienter Abbau durch Behandlung wäßriger Dispersionen, Suspensionen oder Lösungen von Stärke mit Ultraschall erzielt werden kann.
Erfindungsgemäß ist es möglich, das gewünschte mittlere Mole­ kulargewicht (Gewichtsmittel w) durch Variation der Zeit und Intensität der Beschallung in gewünschter Höhe bei sehr enger Molekulargewichtsverteilung unter praktischer Abwesenheit unerwünschter niedermolekularer Bestandteile einzustellen.
Zum Unterschied zu bisher bekannten Abbaumethoden lassen sich erfindungsgemäß Ausbeuten von nahezu 100% erreichen.
Als Suspension wird erfindungsgemäß eine Dispersion von un­ löslichen Feststoffteilchen oberhalb kolloider Dimensionen verstanden und als Lösung eine molekular-disperse Verteilung der Stärkeausgangsprodukte in Wasser. Unter Dispersion ist auch ein Gel zu verstehen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, das gewünschte mittlere Molekulargewicht w in weiten Grenzen mit sehr enger Molekulargewichtsverteilung einzustellen, indem man, abhängig von den übrigen Reaktionsbedingungen und insbe­ sondere vom Ausgangsprodukt, die Ultraschall-Einwirkung so lange durchführt, bis das gewünschte Molekulargewicht er­ reicht ist.
Als teilhydrolysierte Stärke oder teilhydrolysiertes Stärke­ derivat wird vorzugsweise ein durch Säurehydrolyse und/oder Enzymhydrolyse erhaltenes Teilhydrolysat von Stärke oder einem Stärkederivat eingesetzt, insbesondere mit einem mitt­ leren Molekulargewicht Mw von größer als 106 Dalton, welches soweit abgebaut ist, daß eine 10- bis 40%ige Lösung gut pump­ bar ist.
Als native Stärke wird vorzugsweise eine Stärke verwendet, die hauptsächlich aus Amylopektin besteht und insbesondere praktisch amylosefreies Amylopektin, das nicht mehr als 1 Gew.-% Amylose enthält, eingesetzt. Bevorzugte Beispiele für eine erfindungsgemäß eingesetzte Stärke sind Wachsmais-, Wachsreis- und/oder Wachssorghumstärke.
Die Herstellung einer als Ausgangsprodukt verwendeten teil­ hydrolysierten Stärke oder eines teilhydrolysierten Stärkede­ rivats kann auf eine an sich bekannte Weise mittels einer Säurehydrolyse oder einer Enzymhydrolyse erfolgen. Für die Säurehydrolyse wird vorzugsweise Salzsäure verwendet. Als Enzym für die Enzymhydrolyse wird α-Amylase bevorzugt.
Stärkederivate sind z. B. Hydroxyalkylstärke oder Alkoxyalkyl­ stärke und insbesondere Hydroxyethylstärke (HES).
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform kann als Ausgangs­ mischung auch die nach der Teilhydrolyse mit Säure oder Enzym erhältliche Reaktionsmischung eingesetzt werden, die dann ohne vorherige Isolierung des Hydrolysates der Ultraschall-Behandlung unterworfen werden kann.
In zweckmäßigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wird z. B. eine durch Verkleisterung hergestellte gelförmige wäßrige 5- bis 40gew.-%ige Dispersion einer nativen Stärke oder eine wäßrige 5- bis 40gew.-%ige pumpbare Lösung einer teilhydroly­ sierten Stärke, oder eine 10- bis 60gew.-%ige Suspension einer nativen Stärke, oder eine 10- bis 50gew.-%ige wäßrige Lösung oder Dispersion eines hochmolekularen (größer als 200 000 Dalton) Stärkederivats eingesetzt.
Die Ultraschall-Behandlung kann auf eine an sich bekannte Weise und mit hierfür geeigneten, handelsüblich erhältlichen Geräten durchgeführt werden. Die geeignetsten Bedingungen richten sich dabei insbesondere nach der/dem als Ausgangspro­ dukt zugesetzten Stärke oder Stärkederivat, der Art der an­ fänglichen Reaktionsmischung (Dispersion, Suspension oder Lösung) und dem gewünschten mittleren Molekulargewicht des Stärkeabbauproduktes.
Vorzugsweise wird bei Raumtemperatur oder schwach erhöhter Temperatur gearbeitet und insbesondere im Temperaturbereich von 20°C bis 80°C, wobei die Temperatur mit fortschreitendem Abbau auch erniedrigt werden kann.
Die Ultraschall-Behandlung kann chargenweise oder im Durch­ lauf erfolgen. Sie wird vorzugsweise mit einer Schalldosis im Bereich von 1 bis 20 kWh/l, je nach gewünschtem Abbaugrad durchgeführt.
Zweckmäßigerweise erfolgt die Ultraschall-Behandlung unter Rühren der Reaktionsmischung.
Der Abbaugrad und damit das gewünschte Molekulargewicht der Stärkeabbauprodukte kann leicht durch Messung der Viskosität einer mit Wasser verdünnten Probe kontrolliert werden, um auf diese Weise den gewünschten Abbau und das Ende der Reaktion zu bestimmen. Dies gilt auch für die Bestimmung des Hydroly­ segrades der als Ausgangsprodukt verwendeten Teilhydrolysa­ te.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verfahren zur Herstellung von Stärkeabbauprodukten mit enger Molekularge­ wichtsverteilung bereitgestellt, wobei sich der gewünschte Abbaugrad durch geeignete Wahl und Variation von Intensität und/oder Dauer der Beschallung erhalten läßt. Erfindungsgemäß lassen sich Abbauprodukte mit einer sehr engen Molekularge­ wichtsverteilung erhalten, die zum Unterschied zu bisher bekannten Abbaumethoden nur sehr geringe unerwünschte nieder­ molekulare Anteile enthalten.
In den Fig. 1 bis 3 wird die integrale und differentiale Molekulargewichtsverteilung von erfindungsgemäß hergestellten Stärkeabbauprodukten (Fig. 1) und von durch Säurehydrolyse (Fig. 2) und enzymatische Hydrolyse (Fig. 3) hergestellten Stärkeabbauprodukten dargestellt; daraus ist die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältliche wesentlich engere Molekulargewichtsverteilung klar ersichtlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich deshalb insbeson­ dere für die Gewinnung von Ausgangs- oder Endstoffen von Stärkederivaten, wie z. B. Stärkeether (z. B. Hydroxyethylstär­ ke) oder Stärkeester (z. B. Acetylstärke) mit hoher Ausbeute, die medizinisch verwendet werden, z. B. für klinische, vor­ zugsweise parenterale Anwendungen. Insbesondere eignen sich die erfindungsgemäß erhältlichen Stärkeabbauprodukte als Ausgangsprodukte für die Herstellung pharmazeutischer Zusam­ mensetzungen für die Peritonealdialyse, sowie zur Herstellung von Blutplasmaersatzmitteln in Form von z. B. Stärkeethern oder Stärkeestern.
Gegenstand der Erfindung ist deshalb auch die Verwendung von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Stärkeabbau­ produkten für pharmazeutische Zusammensetzungen für klini­ sche, vorzugsweise parenterale Anwendungen und insbesondere für die Herstellung pharmazeutischer Zusammensetzungen für die Peritonealdialyse sowie zur Herstellung von Blutplasmaer­ satzmitteln, gemäß den Ansprüchen 17 und 18.
Je nach der beabsichtigten Verwendung der erfindungsgemäßen Stärkeabbauprodukte kann es auch zweckmäßig sein, Salze und andere niedermolekulare Bestandteile, wie z. B. noch vorhande­ ne niedermolekulare Abbauprodukte der Ausgangsstärke, weitge­ hend zu entfernen. Dies kann z. B. durch Dialyse und insbeson­ dere durch Ultrafiltration (Diafiltration) erfolgen, wobei je nach der vorgesehenen Verwendung Membranen mit einer entspre­ chenden Ausschlußgrenze gewählt werden können. Zweckmäßiger­ weise erfolgt die Entfernung niedermolekularer Bestandteile zusammen mit der Entfernung von Salzen.
Zur besseren Handhabbarkeit und Lagerfähigkeit der erfin­ dungsgemäßen Stärkeabbauprodukte kann es auch zweckmäßig sein, die nach der Behandlung mit Ultraschall erhaltenen Produkte in ein getrocknetes Produkt überzuführen. Dies er­ folgt vorzugsweise durch schonende Konzentrierung der Lösung im Vakuum und nachfolgende Trocknung im Vakuum. Es ist aber auch möglich, die Reaktionsmischung durch Lyophilisation in ein gefriergetrocknetes Produkt zu überführen.
Die nachfolgenden Beispiele sollen nun die Erfindung näher erläutern, ohne sie darauf zu beschränken.
w bedeutet Gewichtsmittel, und n Zahlenmittel. Temperatur­ angaben beziehen sich auf die Celsius-Skala.
Beispiele Beispiel 1
In einem Becherglas von 30 mm Durchmesser wurde ein durch Verkleisterung bei 100°C hergestelltes Gel aus 1 g Wachsmaisstärke und 19 g dest. Wasser vorgelegt. Die Standardsonde eines 20 kHz Ultraschall-Homogenisators LABSONIC U der Firma BRAUN Melsungen, Spitzendurchmesser 19 mm, tauchte etwa 17 mm in die Gelfüllung ein. Die Beschallung wurde unter Kühlung mit Eiswasser mit einer Leistung von 250 Watt und einer Zykluszeit von 0,7 Sekunden eingestellt. Die effektive Schalldosis betrug 17,5 kWh/l. Nach wenigen Minuten trat Verflüssigung ein. Nach insgesamt 2 Stunden wurde der Versuch beendet und aus der nunmehr dünnflüssigen Lösung durch Gel­ chromatographie unter Verwendung von Hydroxyethylstärkestan­ dards die Molekulargewichtsverteilung bestimmt (vgl. Fig. 1).
Die daraus berechneten Mittelwerte des Molekulargewichts waren:
w = 231 800,
n = 54 400.
Der Anteil < 50 000 Dalton betrug 6,2%.
Vergleichsbeispiel 1 (Säurehydrolyse)
Es wurden 5 g Wachsmaisstärke in 100 ml 1 M Salzsäure suspen­ diert, durch Erhitzen in siedendem Wasserbad unter Rühren verkleistert und weitere 5 Stunden bei Wasserbadtemperatur gehalten. Die nun dünnflüssige Lösung wurde durch Filtration über einen schwach basischen Anionenaustauscher in der OH-- Form (LEWATIT AP 49 der Firma BAYER Leverkusen) entsäuert und die Molekulargewichtsverteilung wie im Beispiel 1 bestimmt (vgl. Fig. 2).
Die daraus berechneten Mittelwerte der Molekulargewichte waren:
w = 62 700,
n = 3000.
Der Anteil < 50 000 Dalton betrug 51,5%.
Die im Vergleich zu Beispiel 1 bedeutend niedrigeren Mittel­ werte resultieren hier aus den weit höheren niedermolekularen Anteilen, während der Abbaugrad der hochmolekularen Anteile < 30 000 Dalton etwa vergleichbar ist.
Vergleichsbeispiel 2 (Enzymhydrolyse)
35 g Wachsmaisstärke wurden in 100 ml einer wäßrigen Lösung, enthaltend 0,02 g Calciumchlorid·2 H2O und 0,02 ml α-Amylase (TERMAMYL der Firma NOVO, Kopenhagen) suspendiert und unter kräftigem Rühren in siedendem Wasserbad erhitzt. Bei ca. 65°C trat Lösung ohne Bildung einer hochviskosen Phase auf. Es wurde 1 Stunde bei Wasserbadtemperatur gehalten, zur Inak­ tivierung des Enzyms mit Salzsäure auf pH 3,0 eingestellt und abgekühlt. Die Molekulargewichtsverteilung wurde wie im Bei­ spiel 1 angegeben bestimmt (vgl. Fig. 3).
Die daraus berechneten Mittelwerte des Molekulargewichts waren:
w = 103 500,
n = 5800.
Der Anteil < 50 000 Dalton betrug 45%.
Beispiel 2 Stärkeabbau in Suspension
Es wurde eine Suspension von 1 g Wachsmaisstärke in 19 g dest. Wasser eingesetzt und bei gleicher Anordnung wie in Versuch 1 mit der gleichen Schalldosis behandelt. Bei mikros­ kopischer Untersuchung der makroskopisch unveränderten Sus­ pension nach Beschallung zeigte sich deutlicher Kornabbau der Stärke. Nach Erhitzen auf 100°C wurde eine relativ niedervis­ kose Lösung erhalten. Mittels Gelchromatographie (s. Fig. 4) wurden folgende Molekulargewichtswerte ermittelt:
w = 691 800,
n = 134 600.
Der Anteil < 50 000 Dalton betrug 2,78%.
Beispiel 3 Abbau von Hydroxyethylstärke (HES)
In einer 50 ml Weithals-Infusionsflasche, Innendurchmesser 37 mm, wurden 50 ml einer Lösung, enthaltend 10 g HES w 739 100, n 219 300 (Molekulargewichtsverteilung siehe Fig. 5), molare Substitution 0,7 mol Hydroxyethylgruppen/mol Anhydroglukose, vorgelegt und unter Kühlung mit Eiswasser wie in Beispiel 1 bei einer Schalleistung von 250 Watt beschallt.
Der Fortgang des Abbaues wurde durch Messung der relativen Viskosität nrel einer 20%igen Lösung verfolgt. Nach der gesamten Beschallungszeit wurde die Molekulargewichtsvertei­ lung durch Gelchromatographie bestimmt (Fig. 6).
Schalldosis
nrel
(kWh/l)
0
10,70
1,75 7,51
4,38 4,82
7,0 4,04
9,63 3,62
w = 132 700
n = 103 300
Der Anteil <50 000 Dalton betrug 4,8%.
Beispiel 4 Abbau von Stärkegel in Abhängigkeit von Schalleistung und Schalldosis
In einer 50 ml Weithals-Infusionsflasche, Innendurchmesser 37 mm, wurden 10 g Wachsmaisstärke auf 50 ml in Wasser suspen­ diert und durch Einstellen in ein siedendes Wasserbad unter Rühren verkleistert und wie in Beispiel 3 unter Kühlung mit Eiswasser beschallt.
Schalleistung:
a) 250 W
b) 150 W
c)  30 W
Der Fortgang des Abbaues mit der Zeit wurde jeweils durch Messung der relativen Viskosität nrel einer 20%igen Lösung verfolgt. Nach der gesamten Beschallungszeit wurde die Mole­ kulargewichtsverteilung durch Gelchromatographie bestimmt.
Tabelle
a) 250 W
Fig. 7:
w = 141 000
n = 109 100
Der Anteil <50 000 Dalton betrug 4,08%.
b) 150 W
Fig. 8:
w = 180,7
n = 137,7
Der Anteil <50 000 Dalton betrug 2,01%.
c) 30 W
Fig. 9:
w = 1 799 000
n = 137 200
Der Anteil <50 000 Dalton betrug 1,98%.
Beispiel 5 Abbau von enzymatisch verflüssigter Stärke
In einem Becherglas wurden 35 g Wachsmaisstärke in 100 ml Wasser suspendiert, 20 µl α-Amylase Termamyl (Fa. NOVO, Kopenhagen) zugesetzt und im Wasserbad unter Rühren bis zur vollkommenen Auflösung der Stärkekörner und Bildung einer viskosen Lösung erhitzt. Das Enzym wurde durch Ansäuern mit ca. 50 µl conc. Salzsäure auf pH 2,80 gestoppt.
Das erhaltene Stärke-Teilhydrolysat wurde in einer 100 ml Weithals-Infusionsflasche unter Kühlung mit Eiswasser mit einer Schalleistung von 250 W beschallt und der Fortgang des Abbaues mit der Zeit durch Messung der relativen Viskosität nrel einer 20%igen Lösung der Molekulargewichtsverteilung verfolgt.
Tabelle

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung von Stärkeabbauprodukten mit enger Molekulargewichtsverteilung, dadurch gekennzeichnet, daß man eine native Stärke, ein Stärkederivat, eine teilhydrolysierte Stärke oder ein teilhydrolysiertes Stärkederivat in wäßriger Dispersion, Suspension oder Lösung einer Einwirkung von Ultraschall unterwirft.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ultraschall-Einwirkung so lange durchführt, bis das gewünschte mittlere Molekulargewicht w erreicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als teilhydrolysierte Stärke oder teilhydroly­ siertes Stärkederivat ein durch Säurehydrolyse und/oder Enzymhydrolyse erhaltenes Teilhydrolysat von Stärke oder einem Stärkederivat einsetzt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine bis zu einem mittleren Molekulargewicht von größer als 106 Dalton teilhydrolysierte Stärke oder ein teilhydrolysiertes Stärkederivat einsetzt.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine durch Verkleisterung hergestellte gelförmi­ ge wäßrige Dispersion einer nativen Stärke einsetzt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man eine 5- bis 40gew.-%ige pumpbare wäßrige Dis­ persion einer teilhydrolysierten Stärke oder eines teil­ hydrolysierten Stärkederivats einsetzt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine 10- bis 60gew.-%ige Suspension einer nati­ ven Stärke einsetzt.
8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine 10- bis 50gew.-%ige wäßrige Lösung oder Dispersion eines Stärkederivats einsetzt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man eine native Stärke einsetzt, die vorwiegend aus Amylopektin besteht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Wachsmais-, Wachsreis- und/oder Wachssorghumstärke einsetzt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die teilhydrolysierte Stärke oder das teilhydroly­ sierte Stärkederivat durch Säurehydrolyse und/oder En­ zymhydrolyse erhalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als Enzym α-Amylase einsetzt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und/oder 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man die nach der Teilhydrolyse erhaltene Reaktions­ mischung ohne vorherige Isolierung des Hydrolysats der Ultraschall-Einwirkung unterwirft.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 6 und/oder 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man als Stärkederivat Hydroxyethylstärke einsetzt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß man die Ultraschall-Behandlung mit Schalldosen im Bereich von 1 bis 200 kWh/l durchführt.
16. Verwendung eines nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15 erhaltenen Stärkeabbauproduktes zur Herstellung pharmazeutischer Zusammensetzungen für kli­ nische, vorzugsweise parenterale Anwendungen.
17. Verwendung nach Anspruch 16 für die Herstellung pharma­ zeutischer Zusammensetzungen für die Peritonealdialyse und zur Herstellung von Blutplasmaersatzmitteln.
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