DE69104576T2

DE69104576T2 - Polysaccharid-enthaltendes Erzeugnis und dessen Verwendung.

Info

Publication number: DE69104576T2
Application number: DE69104576T
Authority: DE
Inventors: Chokyun Rha; Maritta Timonen
Original assignee: Alko Oy AB
Current assignee: Alko Oy AB
Priority date: 1990-08-10
Filing date: 1991-08-12
Publication date: 1995-03-16
Anticipated expiration: 2011-08-13
Also published as: AU642033B2; JPH04281836A; ATE112700T1; DE69104576D1; EP0470872B1; AU8174491A; CA2042529C; FI913096A0; KR920004423A; EP0470872A1; ES2065624T3; DK0470872T3; FI913096A; CA2042529A1; NZ239349A

Description

Einkapselungstechnologien weisen viele Anwendungen in einer Vielzahl von Industrien auf, wenn es wünschenswert ist, ein bestimmtes Material zu isolieren, bis es benötigt wird. Einkapselung macht zum Beispiel die Fähigkeit möglich, unangenehme Geschmäcker zu maskieren, Substanzen wie ungesättigte Fette und Öle von der Oxidation zu schützen, die Freigabe von eingekapseltem Material zu steuern, ein flüssiges Material in ein frei fließendes Puder umzuwandeln, Flußeigenschaften zu steuern und reaktive Materialien zu trennen, bis eine bestimmte Reaktion gewünscht wird. Das eingekapselte Material kann durch mechanische, physikalische oder chemische Prozesse wie Erhöhen des Druckes und Scherung, Erhöhen der Temperatur, Lösen der Kapselwand, Defundierenlassen der internen Phase durch die Kapselwand freigegeben werden.
Einfache Koazervation ist das Phänomen der Phasentrennung eines lösbaren Polymers wie Gelatine aus der Lösung, damit dispergierte Ölkügelchen oder feste Teilchen mit einer gleichmäßigen zusammenhängenden Schicht eingekapselt werden. Diese Koazervation kann erreicht werden, indem der pH-Wert, die Temperatur oder die Polymerkonzentration gesteuert werden. Ein typisches Vorgehen ist es, eine Salzlösung zu einer Gelatinelösung hinzuzugeben, die die dispergierten Ölkügelchen enthält, wodurch die Lösbarkeit der Gelatine verringert wird, was bewirkt, daß sie sich um die Oberflächen der suspendierten Ölkügelchen legt und schließlich aus der Lösung ausfällt. Die Mikrokapseln können dann getrennt und getrocknet werden.
Komplexkoazervation ist eine gesteuerte Reaktion zwischen zwei entgegengesetzt geladenen Polymeren zum Bilden eines unlöslichen Polymerkomplexes, der aus der Lösung ausfällt. Die am weitesten verbreiteten Kombinationen sind Gelatine und eines oder mehrere ionische Polymere wie Gummi arabicum, Pektin und mikrobielle Polysaccharide (z.B. Gellangummi). In Lebensmittelprodukten sind Gelatine-Gummi arabicum Koazervate zum Einkapseln von Aromastoffen zum Einschließen in Kuchenmischungen, Kaugummi, Zuckerwaren und andere Produkte benutzt worden.
Komplexkoazervation benötigt jedoch komplizierte Schritte und eine genaue Kontrolle der Prozeßparameter wie pH-Wert und Temperatur. Obwohl Gelatine für die meisten Komplexkoazervationsvorgänge benutzt wird, da es gute amphotere Eigenschaften als auch die Fähigkeit bei Temperaturen oberhalb des Gefrierens zu gelieren aufweist, kann es sein, daß das gebildete strukturelle Netzwerk keine ausreichende strukturelle Unversehrtheit aufweist, wenn ionische Polysaccharide mit hohem Molekulargewicht wie Gummi arabicum, Carboxymethylcellulose und synthetische ionische Polymere benutzt werden. Herkömmliche Polymere mit hohem Molekulargewicht, die bei Einkapselvorgängen benutzt wurden, weisen eine Zahl von anderer Nachteile auf. Solche Polymere erzeugen sehr hochviskose Suspensionen selbst bei niedrigen Konzentrationen und beschränken daher die Konzentration des Polymers, die bei dem Einkapselprozeß benutzt werden kann. Dieses macht den Prozeß schwierig, ihn in der Praxis durchzuführen. Die Kapseln, die unter Benutzung von Polymeren mit hohem Molekulargewicht dargestellt sind, werden leicht zerbrochen, da die Membran eine nicht ausreichende Festigkeit aufweist. Zusätzlich braucht der Prozeß üblicherweise eine lange Zeit, bis zu 20 bis 24 Stunden oder sogar noch länger, und verlangt eine strikte Steuerung der Prozeßbedingungen.
Es ist daher wichtig, ein Verfahren des Einkapselns vorzusehen, das Kapseln mit höherer Qualität und einer höheren Ausbeute von Kapseln vorsieht. Solch ein Verfahren sollte einfach durchzuführen und wirtschaftlich sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Erfindung bezieht sich auf die Benutzung von Polysaccharidderivaten mit niedrigem Molekulargewicht bei Einkapselprozessen und die so erzeugten Kapseln.
Die Erfindung sieht eine unlösliche Polymerkapsel vor mit mindestens zwei Polymerkomponenten, wobei eine der Komponenten ein hydrophiles Kolloid ist und die andere der Komponenten ein Abbauprodukt eines Polymersaccharidderivates ist, wobei das Abbauprodukt eine Mischung von Oligomeren aufweist, von denen eine Mehrheit einen Polymerisationsgrad derart aufweist, daß die Polymere mit einer stäbchenartigen Konfiguration übereinstimmen und einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 aufweisen.
Die Erfindung sieht auch ein Verfahren zum Herstellen einer Polymerkapsel vor, mit:
a) Kombinieren eines hydrophilen Kolloids und eines Abbauproduktes eines Polymersaccharidderivates, wobei das Abbauprodukt eine Mischung aus Oligomeren aufweist, von denen eine Mehrheit einen Polymerisationsgrad derart aufweist, daß die Polymere mit einer stäbchenartigen Konfiguration übereinstimmen und einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 aufweisen;
b) Vorsehen von Bedingungen, die für die Wechselwirkung zwischen dem hydrophilen Kolloid und der Mischung der Oligomere von Schritt a) zum Bilden von Polymerkapseln ausreichen; und
c) Entfernen der verbleibenden Polymerkomponenten von den Kapseln.
Verfahren zum Bilden der Kapseln der Erfindung beinhalten das Kombinieren der genannten Polymerkomponenten. Eine der Komponenten ist eine Mischung aus Oligomeren, die aus dem Abbau eines Polysaccharidderivates abgeleitet ist. Die andere Komponente ist ein hydrophiles Kolloid, das ionisierbar sein kann und entgegengesetzt aufgeladen sein kann und/oder gelierbar sein kann. Die Mischung von Oligomeren weist einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von 3 bis 100 auf. Das Polysaccharid kann irgendeines einer breiten Verschiedenheit von Polysacchariden sein, obwohl Cellulose und Stärke bevorzugt sind.
Eine einzukapselnde Substanz kann so eingesetzt werden, daß die Kapseln um die Substanz gebildet werden. Die Substanz kann in einer beliebigen Form eingeführt werden, die eingekapselt werden kann, z.B. fest, flüssig oder schlammartig. Verbleibendes Polymer kann dann entfernt werden. Die Membrankapsel kann durch Vernetzen einer Polymerkomponente der Kapsel mit einem Vernetzungsmittel wie Glutaraldehyd verstärkt werden.
Das Verfahren kann folgende Schritte aufweisen: Einstellen des pH-Wertes so, daß das hydrophile Kolloid und die Mischung aus Oligomeren ähnlich geladen sind; Einführen der einzukapselnden Substanz und Bilden einer Emulsion durch Schlagen oder Rühren; Einstellen des pH-Wertes der Mischung, falls es notwendig, so daß Ionen des Kolloids und des Oligomers verschiedene elektrische Ladungen tragen und Tröpfchen oder Kapseln bilden; Kühlen der Emulsion auf eine Temperatur unterhalb des Gelierpunktes des Komplexes; Waschen der Kapseln zum Entfernen des verbleibenden ionischen Polymers; falls gewünscht, Härten und Verstärken der Polymerkapseln durch Vernetzen der Kapseln mit einem Vernetzungsmittel; Trennen der Kapseln von der verbleibenden Flüssigkeit und schließlich Trocken derselben und Zermahlen derselben, wenn sie zusammenhaften. Die Einstellung oder Änderung in dem pH-Wert und Senken der Temperatur braucht nicht notwendig zu sein, wenn das Einkapseln durch einfache Sekundärwechselwirkung wie Wasserstoffbindungen oder Van der Waals-Kräfte erzielt wird.
Die erfindungsgemäßen Kapseln sind so ausgelegt, daß sie jede beliebige kompatible Substanz enthalten. Solche Substanzen enthalten Pharmazeutika, Öle, synthetische Öle, Mineralöle, Pflanzenöle und tierische Öle. Das eingekapselte Material kann auch ein Fluid einer Eigenfarbe oder Tinte sein, die sich zu einer Farbe ändert, wenn sie auf empfindliches Aufzeichnungsmaterial aufgebracht wird.
Das Polysaccharidderivat kann abgebaut werden durch enzymatische, chemische oder physikalische oder mechanische Mittel/Mechanismen. In Ausführungsformen, in denen eine Enzymdarstellung zum Durchführen des Abbauens benutzt wird, wird die Enzymdarstellung typisch aus der Gruppe der Polysaccharid abbauenden Enzyme gewählt. In dem Fall der Stärkederivate sind in Enzyme wie Amylase oder Pullulanase und Mischungen daraus geeignet.
In Ausführungsformen in denen der Abbau eines Polysaccharidderivates durch chemische oder physikalische Mittel durchzuführen ist, sind chemische Hydrolyse, chemische Oxidation und Wärmebehandlung bevorzugte Mechanismen zum Erzielen der gewünschten Polymermischungen gemäß der Erfindung.
Diese Erfindung sieht weiter ein druckempfindliches Papier vor, an dem öl- oder tintenenthaltende Kapseln der Erfindung angebracht sind.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Figur 1 stellt schematisch ein Verfahren zum Bilden von Kapseln dar, in denen eine Substanz innerhalb der Kapseln aufgenommen ist.
Figur 2 ist eine Mikrophotographie von Kapseln, die unter Benutzung von CMC-Hydrolysaten gebildet sind.
Figur 3 ist eine Mikrophotographie von Kapseln, die unter Benutzung von CMC mit hohem Molekulargewicht gebildet sind.
Figur 4 ist eine Mikrophotographie von Kapseln, die unter Benutzung von CM-Stärkehydrolysaten gebildet sind.
Figur 5 ist eine Mikrophotographie von Kapseln, die unter Benutzung von CM-Stärke gebildet sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Ganz allgemein weist das erfindungsgemäße Verfahren das Kombinieren von mindestens zwei Polymeren unter Bedingungen auf, die ausreichend sind zum Bilden von Kapseln. Eine der Komponenten kann ein ionisierbares hydrophiles Material wie Gelatine sein. Die andere Komponente kann ein geladenes Polymer sein, das von mindestens einem substituierten Polysaccharid abgeleitet ist, wobei das Polymer aus dem Abbau des Polysaccharids abgeleitet wird und einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 und bevorzugt von 5 bis 50 aufweist.
Der Ausdruck "Polysaccharid" bezieht sich auf ein Polymercarbohydrat mit einer Mehrzahl von wiederholenden Einheiten, die aus einfachen Zuckern bestehen. Der Ausdruck "polymerisch" oder "Polymer" soll bedeuten, daß sowohl Oligomere- als auch Polymereeinheiten und bevorzugt solche Polysaccharide enthalten sind, die mehr als die wiederholende Monomere einfache Zuckereinheiten aufweisen.
Die C-O-C-Verbindung, die zwischen zwei verbundenen einfachen Zuckereinheiten in einer Polysaccharidkette gebildet ist, wird glykosidische Bindung genannt, und kontinuierliche Kondensation von Monosaccharideinheiten resultiert in Polysaccharide. Die gewöhnlichsten Polysaccharide sind Amylose und Cellulose, die beide aus Glukosemonomeren gemacht sind. Amylose ist ein Hauptbestandteil von Stärke und Glykogen. Cellulose ist die wichtigste Strukturkomponente von Pflanzen. Andere Polysaccharide, die für diese Erfindung nützlich sind, weisen ein Rückgrat einer geraden Kette oder eines verzweigten Polymers mit einem oder mehreren Zuckermonomeren auf. Diese Polysaccharide enthalten solche, die Zuckermonomere wie Glukose, Galaktose, Arabinose, Mannose, Fruktose, Rhamnose und Xylose enthalten.
Bevorzugte Polysaccharide, die in Artikeln und Verfahren dieser Erfindung nützlich sind, sind Cellulose und Stärke. Trotzdem sind Beispiele anderer solcher Polysaccharide mit verzweigten oder geraden Rückgraten Carrageenan, Pullulan, Pustulan, Laminarin, Skleroglucan, Alginat, Guarangummi, Gummi arabicum, Inolin, Pektin, Whelan, Rhamsan, Gellan, Xanthan, Zooglan, Methylan, Chitin, Cyclodextrin, Chitosan.
Der Ausdruck "Derivate" soll Polysaccharide gemäß dieser Erfindung bedeuten, die substituiert sind. Bevorzugt weist das Polysaccharid-Startmaterial einen Grad der Derivatisierung oder Substituierung von zwischen ungefähr 0,1 und 3,0 auf. "Grad der Substituierung" bezieht sich auf die Zahl der Derivatgruppen (z.B. Carboxymethyl, Hydroxypropyl) pro Monomereinheit in dem Polysaccharidrückgrad (Verzweigung oder gerades Kettenrückrat). Ein Grat der Substituierung von 0,2 bedeutet zum Beispiel, daß es ungefähr ein Derivatsubstituenten für jeweils fünf Monomereinheiten in dem Polysaccharidrückgrat gibt. Ein Grat der Substituierung von 3 würde bedeuten, daß es drei Derivatsubstituenten für jede Monomereinheit in der Polysaccharidkette gibt. Der Ausdruck "Substituent" soll jede beliebige Gruppe bedeuten, die an dem Polysaccharidrückgrat angebracht ist, die eine chemische und/oder physikalische Eigenschaft dem Polysaccharid aufprägt oder einen funktionalen Effekt vorsieht.
Das Polysaccharidderivat enthält bevorzugt einen oder mehrere Substituenten, die aus Carboxymethyl, Methyl, Hydroxypropyl, Methylethyl, Hydroxyethyl, Hydroxymethylethyl, Hydroxypropylmethyl, Sulfat, Carboxylsäure, Carboxylsäureester und Pyruvat gewählt sind.
Carboxylsäure wird in Carrageenan, Algenat und Pektin gefunden. Brenztraubensäure wird in Pektin, Xanthangummi, Zooglan und Methylan gefunden.
Insbesondere kann Carboxymethylstärke enzymatisch zum Erzeugen der entsprechenden Stärkehydrolysate abgebaut werden. Andere typische geeignete Stärkederivate enthalten Hydroxypropyl-, Methylethyl- und Hydroxyethylstärken. Die Substituenten sind typischerweise an einer Stärkeglukosemonomereinheit an der 2,3 und 6 Position gebunden. Am typischsten weist ein Stärkestartmaterial zwischen ungefähr 1% bis 85% Amylose und ungefähr 15% bis 99% Amylopectin auf.
Cellulosederivate sind kommerziell erhältlich. Beispiele von Cellulosederivaten schließen ein Methylcellulose (MC, Methocel MC, 64630, Fluka Chemie AG, CH-9470 Buchs, Schweiz), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC, H-9262, Sigma Chem. Co., St. Louis, MO) und Carboxymethylcellulose (CMC 7MFD, Blanose, Hercules Chem. Co., 92507 Rueil-Malmaison Cedex, Frankreich), die alle einen Substitutionsgrad zwischen 0,1 und 3 aufweisen. Hydroxypropylcellulosen sind ebenfalls kommerziell erhältlich und für die Verwendung geeignet.
Wie ausführlicher hier beschrieben wird, können solche Polysaccharidderivate zu Polymermischungen mit einem mittleren DP zwischen ungefähr 3 und ungefähr 100 durch enzymatische, chemische oder physikale oder mechanische Mittel/Wege abgebaut werden. Die Polymermischungen werden im allgemeinen als "Hydrolysate" bezeichnet. Der Ausdruck "abgebaut" bezieht sich auf das Vorgehen, bei dem Polysaccharidderivate in kleinere Polymereinheit zerbrochen werden.
Beispielhafte Enzyme zur Benutzung bei dem Abbau gewisser oben beschriebener Polysaccharidderivate sind Pektinase, Lyase, Xanthanase, Lysozyme, Chitinase und Laminarinase. Beispielhafte Enzyme, die geeignet sind zum Abbauen von Cellulosederivaten, sind verschiedene Cellulasen. Sie können aus einer Mehrzahl von verschiedenen Mikroorganismen erzeugt werden wie Stämme von Trichoderma, Aspergillus, Penicillium usw. Ein ausgewählter Mikroorganismusstamm wird durch herkömmliche Mittel in einem Medium gewachsen, der nährstoffgeeignete Materialien enthält, so daß die Cellulase erzeugt wird, der Mikroorganismus wird von dem Medium getrennt, das Medium wird gesammelt, typischerweise konzentriert und getrocknet. Diese Enzyme können als solche oder in Mischungen benutzt werden, und sie können auf verschiedene Weisen modifiziert werden, wie es dem Fachmann bekannt ist.
Ein Polysaccharidderivat kann durch Behandlungen eines substituierten Stärkederivates mit einer Säurelösung hydrolisiert werden. Typische Säurebehandlungslösungen können Säuren wie Schwefelsäure, Chlorsäure, Phosphorsäure oder Mischungen aus den vorangehenden enthalten. Die Konzentration der Säure in der Behandlungslösung und die Behandlungszeit und Temperatur können in Abhangigkeit des Abbaugrades des Polysaccharidderivates variiert werden, der gewünscht wird. Auf jeden Fall werden, wenn eine Säurehydrolysebehandlung benutzt wird, die Säurekonzentration und die Behandlungszeit und Temperatur so gewählt, daß eine Mischung von Polymeren erzeugt wird, die einen mittleren DP von zwischen 3 bis 100 aufweisen.
Ein ausgewähltes Polysaccharid- (z.B. Stärke- oder Cellulose-) Derivat kann durch Oxidation mit solchen Mitteln wie Chlor, Sauerstoff oder Wasserstoffperoxid abgebaut werden. Solche oxidativen Behandlungen und Reaktionsbedingungen sind im Stand der Technik gut bekannt. Es kann auch möglich sein, physikalische Verfahren wie Wärme oder mechanische Scherbehandlung oder Beschallung zu benutzen, wenn das Kettenrückgrat der Polysaccharidderivate gespalten wird.
Wenn immer herkömmliche chemische (hydrolytische, oxidative oder sonstige) oder physikalische Behandlungen eingesetzt werden, werden die Bedingungen und der Grad der Behandlung derart gewählt, daß die Mischung der aus der ursprünglichen Behandlung resultierenden Oligomere einen mittleren DP in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 aufweist und weniger als 25 Gewichtsprozent und bevorzugt weniger als 10 Gewichtsprozent von Mono- und Di-Sacchariden enthält.
Die Mischung von Oligomeren weist bevorzugt eine Molekulargewichtsverteilung derart auf, daß der Polydispersie-Index der Mischung kleiner als 2 ist.
Enzyme, die in Bezug auf Kapseln benutzt werden können, die mit abgebauten Stärkederivaten erzeugt sind, sind verschiedene amolytische Enzymdarstellungen. Sie können von einer Vielzahl von verschiedenen Mikroorganismen erzeugt werden wie Stämme von Bazillus, Klebsiella, Clostridium, Aspergillus, Rhizopus. Typische kommerziell erhältliche Enzymdarstellungen, die zur Benutzung hier geeignet sind, sind amolytische Darstellungen (wie Alphaund Betaamylase), Pullulanase und Cyclodextrin-Glycosyltransferase (CGTase).
Die oben beschriebenen Polymere werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bilden von Kapseln benutzt. Der Ausdruck "Kapsel" wird im weiten Umfang benutzt zum Definieren grob sphärischer und hohler Objekte, die Wände aufweisen, die aus Polymermaterial gebildet sind, das Substanzen wie Flüssigkeiten, Festkörper oder Schlämme umgeben kann.
Die Substanz kann als Saat oder Kern zum Stimulieren der Bildung der Kapseln wirken. Die durch den Prozeß der Erfindung gebildeten Kapseln könne weit in der Größe variieren. Die Kapsel kann von weniger als ungefähr 10 um bis zu ungefähr 500 um im Durchmesser mit einer wahrscheinlichen Wanddicke von ungefähr 2 um bis ungefähr 10 um variieren. Die Kapseln können bis zu Millimetergröße groß werden.
Das bevorzugteste Verfahren weist Zusammenmischen von mindestens zwei Polymerkomponenten auf. Eine dieser Komponenten ist das substituierte Polysaccharidpolymer, das oben beschrieben wurde, mit einem mittleren Grad der Polymerisation im Bereich von 3 bis 100. Mindestens eine andere dieser Komponenten kann ein ionisierbares hydrophiles Material mit einer entgegengesetzten elektrischen Ladung zu den substituierten Polysaccharidpolymeren sein. Der Ausdruck "ionisierbares hydrophiles Material" soll bedeuten, daß ionisierbare Materialien enthalten sind. Dieses Material kann gelierbar sein. Beispiele von ionisierbaren hydrophilen Materialien, wie sie zum Bilden der Kapseln der Erfindung benutzt werden, können gelierbare Substanzen wie Gelatine, Albumin, Casein, Alginate, Agar, Pektin und Gummi arabicum enthalten.
Im allgemeinen wird bewirkt, daß die Kapseln die Substanzen, die eingekapselt werden sollen, in sich abgeschieden haben. Diese eingekapselten Substanzen sind zentral in der Kapsel angeordnet. Der Ausdruck "Substanz" kann jedes Material oder irgend eines enthalten, das einen gewünschten Effekt in der bestimmten Umgebung erzeugen kann oder eine gewünschte Funktion ausführen kann. Der Kapseln der Erfindung können bevorzugt Öl- oder Ölphasensubstanzen enthalten. Der Ausdruck "Öl-" oder "Ölphasensubstanzen" soll jedes nicht mit Wasser vermischbares Fluid enthalten, wie natürlich auftretende Öle (Olivenöl, Kokosnußöl, Rizinusöl, Fischöl, tierisches Öl, pflanzliches Öl und Mineralöle) als auch synthetische Öle wie Methylsalicylat und ähnliches.
Kapseln der Erfindung können auch bioaktive Substanzen enthalten.
Der Ausdruck "bioaktive Substanzen" wie er hier benutzt wird, enthält weitgefaßt jede Verbindung oder Mischung davon, die von der Kapsel zum Erzeugen eines vorteilhaften Resultates geliefert werden kann. Die bioaktiven Substanzen können lösbar sein oder es kann eine begrenzte Lösungsfähigkeit in der Kapsel aufweisen, wie eine Ölphase, Pulver oder eine andere feste Form. Der Ausdruck "bioaktive Substanz" enthält Pestizide, Herbizide, Germizide, Biozide, Algizide, Rodentizide, Fungizide, Insektizide, Antioxidantien, Pflanzenwachstumsförderer, Pflanzenwachstumsverhinderer, Präservative, Desinfektionsmittel, Sterilisationsmittel, Katalysatoren, chemische Reaktionsmittel, Fermentationsmittel, Lebensmittel, Tiernahrungsmittel- oder Tiernahrungsmittelersatzstoffe, Nährmittel, Kosmetika, Medikamente, Vitamine, Geschlechtssterilisatoren, Fruchtbarkeitsverhinderer, Fruchtbarkeitsförderer, Luftreinigungsmittel, Mikroorganismusschwächungsmittel und andere Mittel, die bei der Umgebungsnutzung nützlich sind.
Der Ausdruck "Medikament" enthält jedes physiologisch oder pharmakologisch aktive Substanzen, die einen lokalisierten oder systematischen Effekt oder Effekte bei Menschen oder Tieren erzeugen.
Der Ausdruck "Tier" enthält, aber ist nicht darauf beschränkt, Säugetiere und Primaten. Solche Beispiele enthalten Haustiere, Tiere für den Sport und landwirtschaftliche Tiere wie Schafe, Gänse, Vieh, Pferde, Schweine, Labortiere zum Verabreichen wie Mäuse, Ratten und Meerschweinchen, für Fische, für Flugtiere, für Reptilien und Zootiere.
Der Ausdruck "physiologisch", wie er hier benutzt wird, bedeutet das Verabreichen eines Medikamentes zum Erzeugen normaler Niveaus der Funktionen. Der Ausdruck "pharmakologisch" bezeichnet die Untersuchung der Wirkungen der Pharmazeutika auf lebende Systeme einschließlich der Therapeutika, wie es in Dorland's Illustrated Medical Dictinary, 1974 definiert ist. Dies ist von W. B. Sanders Co., Philadelphia, Pa. veröffentlicht.
Die bioaktiven Substanzen, die in die Kapseln der Erfindung eingesetzt werden können, enthalten anorganische und organische Verbindungen ohne Beschränkung einschließlich Medikamente, die auf die peripheren Nerven, die adrenergen Rezeptoren, die cholinergen Rezeptoren, das Nervensystem, die Skelettmuskeln, der Herzmuskel, die glatten Muskeln, das Blutkreislaufsystem, die synaptischen Plätze, die Neuroeffektor-Verbindungsplätze, Endokrin- und Hormonsysteme, immunologisches System, Vervielfältigungssystem, Skelettsystem, das Verdauungs- und Ausscheidungssystem, Verhinderungs- und Histaminsysteme wirken, und solche Materialien, die auf das zentrale Nervensystem wirken wie Hypnotika und Sedidative.
Beispiele von vorteilhaften Pharmazeutika sind in Remmington's Pharmaceutical Sciences, 16. Auflage, 1980, veröffentlicht von Mack Publishing Co., Eaton, Pa; und in The Pharmacological Basis of Therapeutics von Goodman and Gilman, 6. Auflage, 1980, von MacMillan Company, London veröffentlicht und in The Merck Index, 10. Auflage 1983, veröffentlicht von Merck & Co., Rahway; N. J. offenbart.
Die gelösten Pharmazeutika können ein ionisierbares Salz sein. Akzeptierbare Salze enthalten, sind aber nicht darauf beschränkt, Hydrochloride, Hydrobromide, Sulfate, Laurylate, Palmitate, Phosphate, Nitrate, Borate, Acetate, Maleate, Tartrate, Oleate, Salicylate, Salze von Metallen und Amine oder organische Kationen, zum Beispiel vierwertiges Ammonium.
Der Prozeß der Erfindung ist in Figur 1 gezeigt. Das Verfahren enthält die Schritte des Bildens einer Mischung aus mindestens zwei ionischen Polymeren in Wasser; mindestens eins der Polymere kann ein ionisierbares hydrophiles Kolloid sein und mindestens ein anderes Polymer ist eine Mischung aus geladenen Polysaccharidderivaten, wie oben beschrieben wurde; des Einstellens des pH- Wertes auf oberhalb des isoelektrischen Punktes; des Einführens der gewählten Substanz, die einzukapseln ist und des Bildens einer Emulsion durch Schlagen oder Rühren; des Einstellens des pH- Wertes der Mischung, falls es notwendig ist, so daß die Ionen der zwei Polymere verschiedene elektrische Ladungen haben und Koazervattröpfchen oder Kapseln bilden; des Kühlens der Emulsion auf eine Temperatur unterhalb des Gelierpunktes des Komplexes; des Waschens der Kapseln zum Entfernen der verbleibenden ionischen Polymere; falls es gewünscht wird, des Härtens und Verfestigens des Einkapselmateriales durch Vernetzen der Kapseln mit einem Vernetzungsmittel; des Trennens der Kapseln von der verbleibenden Flüssigkeit und schließlich ihr Trocknen und ihr Mahlen, falls sie aggregiert sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen sind die oben beschriebenen geladenen Polysaccharidderivate in einem Komplex mit gelierbarem ionischen Polymer wie Gummi arabicum oder Gelatine. Gelatine wird besonders bevorzugt für dieses Verfahren. Bevorzugt werden wässrige Lösungen von Gelatine und geladene Polysaccharid, Polymerderivathydrolysate mit einem Volumenverhältnis von 1:1 bei einem pH-Wert oberhalb des isoelektrischen Punktes gemischt. Der pH- Wert kann mit jeder verträglichen Lauge, zum Beispiel Natriumhydroxid oder Ammoniumhydroxid bei einer Temperatur oberhalb des Gelierpunktes der Gelatine eingestellt werden. Bevorzugt ist diese Temperatur zwischen ungefähr 30ºC und ungefähr 70ºC in Abhängigkeit von dem Molekulargewicht der Gelatine.
Konzentrationen von Gelatine und geladene Polysaccharidderivathy drolysatlösungen können von 0,1 bis 5 Prozent (Gewicht) der Gelatine und von ungefähr 0,1 bis ungefähr 30 Prozent (Gewicht) der Lösung von geladenen Polysaccharidderivathydrolysaten variieren in Abhängigkeit von dem mittleren Polymerisationsgrad.
Die einzukapselnden Substanzen werden dann zu der Gelatine-Polysaccharid-Lösung in einem Volumenverhältnis zwischen ungefähr 1:2 bis ungefähr 1:0,8 hinzugefügt. Die Lösung wird kontinuierlich gerührt oder geschlagen während des Einführens der Substanz zum Bilden einer Dispersion. Wenn eine Dispersion gebildet ist, wird der pH-Wert auf ungefähr 3 oder 4,5 gesenkt. Bevorzugt wird der pH-Wert auf 4,0 unter Benutzung einer Säure wie Salzsäure gesenkt. Bei diesem pH-Wert nimmt die Gelatine eine insgesamt positive Ladung an, die ermöglicht, daß eine elektrostatische Wechselwirkung zwischen der Gelatine und dem Polysaccharidderivat auftritt.
Nachdem der pH-Wert eingestellt ist, wird die Dispersion auf ungefähr 10ºC bis 30ºC gekühlt. Bevorzugt kann ungefähr 10 bis ungefähr 15ºC benutzt werden.
Der resultierenden Kapseln gelieren bei Temperaturen unterhalb des Gelierpunktes des Komplexes. Kapseln, die durch dieses Verfahren gebildet sind, können dann mit Wasser zum Entfernen von irgend einer restlichen Gelatine gewaschen werden. Danach kann die Membran der Kapsel unter Benutzung verschiedener Verfahren verfestigt werden.
Bevorzugt wird die Gelatinekomponente der Membran durch Vernetzen mit verschiedenen Vernetzungsmitteln verstärkt. Bevorzugte Vernetzungsmittel sind Dialdehyd, Formaldehyd und Glutaraldehyd. Lösungen von Vernetzungsmitteln wie Glutaraldehyd mit 0,25 Prozent bis 6 Prozent (Gewicht) der Schlußkonzentration werden dann zu der Dispersion hinzugefügt, und die gesamte Dispersion wird heftig von 10 bis ungefähr 20 Minuten gerührt. Das Rühren in Kombination mit den Vernetzungsmitteln fördert das Härten der Kapseln. Die Kapseln können mit Wasser gewaschen und getrocknet werden.
Eine extrem weite Variation von Substanzen kann zu der Mischung des geladenen Polysaccharidderivates und der Gelatine hinzugefügt werden. Zum Beispiel können Lebensmittelprodukte wie Fette, Vitamine, Mineralien und ähnliches benutzt werden. Synthetische Öle, Mineralöle, pflanzliche Öle und tierische Öle können benutzt werden, wie zum Beispiel Methylsalicylat, Erdöl, Kokosnusöl, Rizinusöl und Spermöl.
Andere Materialien können durch das Verfahren dieser Erfindung eingekapselt werden. Öle können eingekapselt werden, die zu einem unterliegenden Blatt durch Drucken oder Markierungsdruck oder Wärme übertragen werden, das die Kapseln der Erfindung zerreißt. "Drucken oder Markierungsdrucke" sollen Verfahren zum Ausüben von Druck definieren, wie es im Stand der Technik bekannt ist. Beispiele enthalten die Benutzung von Federn, Schreibmaschinen, computergetriebenen Graphiken, Druckern und ähnliches. Die Kapseln sind an einem Übertragungsfilm befestigt, und Druck auf den Übertragungsfilm verursacht Markierungen auf dem unterliegenden Blatt. Beispiele solcher öligen Druckfluids sind chlorinierte Diphenyle als auch die oben erwähnten Öle. Andere Farbmaterialien können in die Öle eingesetzt werden, die in Übertragungsfilmen benutzt werden, wie Sudan III oder Sudan IV.
Kapseln, die durch das Verfahren der Erfindung hergestellt sind, können vollständig oder teilweise ein Papier beschichten, indem normale Verfahren wie Rollen, Pinseln oder Sprayen benutzt werden. Die Kapseln haften an dem Papier nach dem Trocknen.
In einer Ausführungsform wird ein Blatt Papier mit Kapseln der Erfindung beschichtet. Die Kapseln weisen in sich ein öliges Druckfluid auf, das mit einem farblosen Reaktionsmittel kombiniert ist, das sich in eine farbige Form wandelt im Kontakt mit einem Aufzeichnungsmaterial, das mit einer tonartigen Substanz wie Attapulgit oder Zeolitmaterial empfindlich gemacht worden ist. Verfahren zum Bilden dieser druckempfindlichen Papiere sind im Stand der Technik gut bekannt. Siehe Green, US-Patent Nr. 2 712 507, das hier hinein durch Bezugnahme aufgenommen wird.
Somit sieht die Erfindung ein Papierprodukt vor, bei dem auf die Oberfläche davon Kapseln geschichtet sind, die eine Substanz enthalten, zum Beispiel eine Substanz mit einem Öl in Kombination mit einem Farbreaktionsmittel, das sich in ein gefärbte Form auf Kontakt mit einem geeigneten Aufzeichnungsmaterial wandelt, wobei die Kapseln durch auf das beschichtete Papier ausgeübten Druck zerreißbar sind.
Die Erfindung sieht ebenfalls ein Papierprodukt vor, bei dem auf die Oberfläche davon die zerrissenen Inhalte der Substanz und der Kapseln, die oben beschrieben wurden, geschichtet sind, wobei die zerrissenen Kapseln optional eine kontinuierliche Membran auf der Oberfläche des Papierproduktes bilden, wodurch ein beschichtetes Papierprodukt erzeugt wird.
Kapseln dieser Erfindung können ebenfalls mit Ölen für Lebensmittelvorbereitungszwecke vorgesehen werden. Kapseln können zum Beispiel mit Kochöl wie Pflanzenöl gebildet werden. Zu kochendes Öl kann vollständig oder teilweise mit einer Myriade dieser Kapseln beschichtet sein. Die Wärme des Grills oder Backofens kann das Kochöl direkt aus dem Inneren der Kapsel auf das zu kochende Lebensmittel freigeben.
Weiterhin können vollständige Kapseln oder durch Wärme, Druck und ähnliches zerrissene Kapseln zusammenschmelzen und vollständig oder teilweise ein Material zum Bilden einer kontinuierlichen Membran auf der Oberfläche des mit den Kapseln beschichteten Materiales verschmelzen. Diese Membran kann die mechanischen, strukturellen oder funktionellen Eigenschaften des Produktes wie Festigkeit, Geschmack, Wasser, Abstoßung und ähnliches verbessern.
Somit sieht die Erfindung ein Verfahren vor zur Lebensmitteldarstellung, das aufweist Kontaktieren der Kapseln, die eine Substanz, zum Beispiel ein Öl oder eine Ölphase enthalten, mit einem Lebensmittel; und Freigeben der in der Kapsel angeordneten Substanz, wodurch ein Lebensmittelprodukt gebildet wird, das die Substanz enthält. Optional werden die Kapseln in einem Kochschritt zerrissen, nicht entfernt und werden Teil des Endproduktes.
Kapseln, die durch das Verfahren der Erfindung erzeugt sind, können ebenfalls zum Einschließen von medizinischen Ölen oder bioaktiven Substanzen, wie sie oben definiert wurden, benutzt werden, damit sie daran gehindert werden, beim Schlucken durch den Patienten geschmeckt zu werden, damit sie von dem nachteilhaftigen Einfluß der Umgebungsbedingungen oder von Vergiftung geschützt werden.
Diese Erfindung wird im folgenden vollständiger durch die folgenden Beispiele beschrieben.

Beispiel 1: Darstellung eines Stärkevorläuferhydrolysates

Stärkederivathydrolysate können aus Stärkederivaten, wie sie oben definiert wurden, durch eine enzymatische Hydrolyse dargestellt werden, wobei eine amylolytische Darstellung benutzt wird, die α- Amylase als das wesentliche aktive hydrolytische Mittel benutzt, so daß nur unwesentliche Beträge von Mono- und Di-Sacchariden erzeugt werden. Das Hydrolyseverfahren wird im allgemeinen durch Lösen des Stärkederivates in Wasser, Einstellen des pH-Wertes und der Temperatur auf die für die Enzymaktivität geeigneten Werte, des Hinzufügens der Enzyme zu der Lösung und des Ermöglichens der Enzyme, während einer geeigneten Zeit zu reagieren, durchgeführt. Nach der Enzymreaktion wird das Enzym durch Erwärmen der Lösung auf oberhalb von 100ºC inaktiviert, und das Hydrolysatprodukt wird konzentriert und getrocknet. Der mittlere Polymerisationsgrad (DP) des durch solche eine Hydrolyse erhaltenen Polymers beträgt weniger als 500. Die speziellen Bedingungen, die zum Sicherstellen des gewünschten Grades der Hydrolyse und die spezielle Zeit, die dafür ausreichend ist, können leicht für jedes gewählt Stärkederivat und jede gewählte Enzymdarstellung bestimmt werden. Ähnlich beträgt der mittlere DP, wenn der Abbau durch Benutzen von chemischen oder von physikalischen Mitteln durchgeführt wird, der erzeugten Oligomere weniger als 500.
60 g von Carboxymethylstärke (CM-Stärke), die aus Kartoffelstärke abgeleitet ist (Primojel; Avebe, 9607 PT Foxhol, Niederlande) wurde in 1200 ml Wasser gemischt. Die Temperatur der Mischung wurde auf 80ºC erhöht und die Suspension wurde kontinuierlich gemischt. Ungefähr 1,5 ml Amylase (Ban 120L, Novo, Industrie A/S, Novo Alle, 2880 Bagsvaerd, Dänemark), die in 1/50 des Volumens gelöst war, wurde zu der Suspensionsmischung hinzugegeben. Nach Hydrolyse während ungefähr 30 Minuten wurde das Enzym durch Erwärmen (100ºC, 10 Minuten) inaktiviert. Das Hydrolysat wurde dann gefriergetrocknet.
Das Hydrolysat enthielt vernachlässigbare Beträge von Glukose, Maltose und Oligosaccharide, da der Wert von reduzierenden Zukkern 0,28% betrug. Die Viskosität einer 5 gewichtsprozentigen Suspension des Hydrolysates, das durch Benutzen eines Haake-Rotovisco-RV 12-Viskometer mit Sensorsystemen NV, Karlsruhe, Bundesrepublik Deutschland bei 25ºC gemessen wurde, betrug 57 mPa, wobei eine Scherungsrate von 692 l/s benutzt wurde. Die Viskosität des unhydrolisierten rohen CM-Stärkematerials betrug 106 mPa (25ºC, 692 l/s). Da die Viskosität des Hydrolysates sehr viel niedriger ist, kann das Hydrolysat mit sehr viel höheren Konzentrationen benutzt werden als die ursprünglichen Stärkederivate mit hohem Molekulargewicht.

Beispiel 2: Darstellung eines Cellulosevorläuferhydrolysates

Cellulosederivathydrolysate können aus löslichen Cellulosederivaten dargestellt werden, wie oben diskutiert wurde, durch eine enzymatische Hydrolyse, wobei eine Cellulasedarstellung benutzt wird, die Endo-1,4-beta-glucanase als das alleinige aktive hydrolytische Mittel enthält, so daß nur unwesentliche Beträge von Mono- und Di-Sacchariden erzeugt werden, die in den menschlichen Eingeweiden absorbiert werden (z.B. Glukose) oder durch die bakterielle Eingeweideflora (z.B. Cellobiose) hydrolysiert werden. Auf der anderen Seite beträgt der mittlere Polymerisationsgrad (DP), der durch solche Hydrolyse gebildeten Polymere weniger als 500, und somit ist die Viskosität der Lösungen der Hydrolysate signifikant im Vergleich zu der Viskosität der Lösung der unhydrolysierten Cellulosederivate verringert. Die speziellen Bedingungen, die geeignet sind für die Sicherstellung der gewünschten Hydrolyse und die spezielle Zeit, die dafür ausreichen ist, können leicht für jedes ausgewählte Cellulosederivat und jede ausgewählte Enzymdarstellung bestimmt werden.
Ähnlich bei anderen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen Abbau unter Benutzung chemischer oder physikalischer Mittel durchgeführt wird, beträgt der mittlere DP der Polymere weniger als 500 und die Viskosität der erhaltenen Mischung ist deutlich verringert.
Der absolute Betrag eines Enzymes, das in irgendeinem speziellen Beispiel benutzt wird, wird im folgenden in Ausdrücken der Gesamtaktivitätseinheit von Nano-Katal (nkat) berichtet. "nkat" bezieht sich auf den Betrag von Enzym, der ein Nanomol Reaktionsprodukt in einer Sekunde erzeugt. Insbesondere im Zusammenhang dieser Anmeldung beziehen sich nkat-Einheiten auf ein Hydrolysatreaktionsprodukt wie ein Polymer, das in der Lage ist, ein Mittel wie Dinitrosalicylsäure zu reduzieren. Das Verfahren von Bailey u.a., Enzyme Microb. Technol., Band 9, Seiten 153-157 beschreibt, wie solche Messungen der Enzymaktivität unter Benutzung von Glukose als Standard durchgeführt werden können.

Beispiel 3: Darstellung spezieller Cellulosederivatenzvmhydroysate

a. Methylcellulosehydrolysat

30 g von Methylcellulose (MC, Methocel MC, 64630, Fluka Chemie AG, CH-9470 Buchs, Schweiz) wurde in 3 Liter Wasser gemischt, und der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,5 mit 15%-iger Phosphorsäure eingestellt, und die Temperatur wurde auf 40ºC erhöht. 0,3 ml der Enzymdarstellung mit einer gesamten Endo-1,4-beta-glucanase-Aktivität von 1680 nkat, von der die beta-glukosidase-Aktivität chromatographisch entfernt worden war (wie oben beschrieben), wurde zu der Lösung gegeben. Nach Hydrolyse während 24 Stunden wurde das Enzym durch Erwärmen inaktiviert (90ºC, 50 Minuten). Die Hydrolysatlösung wurde danach gekühlt und gefriergetrocknet.
Das Hydrolysatprodukt enthielt weniger als 0,5 Gewichtsprozent Glukose und Cellobiose.

b. Hydroxypropylmethylcellulosehydrolysat

20 g Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC, H-9262, Sigma Chemical Company, St. Louis, Mo, USA) wurde in 1 Liter Wasser gemischt, und der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,5 mit 15%-iger Phosphorsäure eingestellt, und die Temperatur wurde 40ºC erhöht. 0,24 ml der Enzymdarstellung mit einer gesamten Endo-1,4-beta-glucanase- Aktivität von 1.340 nkat, von der die Beta-glucosidase-Aktivität chromatographisch entfernt worden war (wie oben beschrieben), wurde zu der Lösung gegeben. Nach zwei Stunden wurden weitere 20 g Hydroxypropylmethylcellulose zu der Lösung gegeben. Nach der Hydrolyse von 22 Stunden wurde das Enzym inaktiviert durch Erwärmen (90ºC, 15 Minuten). Schließlich wurde die Hydrolysatlösung gekühlt und gefriergetrocknet.
Das Produkt enthielt weniger als 0,05 Gewichtsprozent Glukose und Cellobiose.

c. Carboxymethylcellulosehydrolysat

(i) Hydrolyse mit aus Enzymdarstellung abgeleiteter Trichoderma reesei

20 g Carboxymethylcellulose (CMC 7MFD-Typ, ein Cellulosegummi, das auch durch den Handelsnamen Blanose bezeichnet wird und von Hercules Chemical Company, 92507, Rueil-Malmaison Cedex, Frankreich erhältlich ist; wobei 7MFD eine mittlere Viskosität einer für Lebensmittel geeignete Carboxymethylcellulose bezeichnet, bei der 7 von 10 Glucoseeinheiten durch Carboxymethyl substituiert sind) wurde in 320 Liter Wasser gemischt, und der pH-Wert der Lösung wurde auf 5,5 mit 15%-iger Phosphorsäure eingestellt, und die Temperatur wurde auf 40ºC erhöht. 0,27 Liter der Enzymdarstellung mit einer gesamten Endo-1,4-beta-glucanase-Aktivität von 1.780.000 nkat, von der die Beta-glucosidase-Aktivität chromatographisch entfernt worden war, wie oben beschrieben), wurde zu der CMC-Lösung gegeben. Nach einer Stunde wurden weitere 23 kg CMC zu der Lösung gegeben. Nach Hydrolyse während 23 Stunden wurde das Enzym durch Erwärmen (90ºC, 15 Minuten) inaktiviert. Schließlich wurde die Hydrolyselösung durch herkömmliches Verdampfen und Sprühtrocknen zentriert.
Das Produkt enthielt weniger als 2 Gewichtsprozent von Glukose und Cellobiose. Wenn die gleiche Hydrolyse mit der ursprünglichen Celluloseenzymdarstellung von Trichoderma reesei-Fungus durchgeführt wurde, war der Betrag der erzeugten Glukose und Cellobiose oberhalb von 5 Gewichtsprozent.

(ii) Hydrolyse mit aus Enzymdarstellungen abgeleiteten Apergillus und Penicillium

Die ausgewählten Enzymdarstellungen waren kommerziell erhältliche Cellulase AP 3 (Amano Pharmaceutical Co., Ltd., Nagoya, Japan), die unter Benutzung eines Aspergillus-Stammes erzeugt wurde, und Cellulase CP (Sturge Enzymes, North Yorkshire, England), die unter Benutzung eines Penicillium-Stammes erzeugt wurden. Carboxymethylcellulosehydrolysate wurden dargestellt wie in Beispiel c (i) beschrieben wurde, mit der Ausnahme, daß 30 g CMC-7MFD in 1 Liter Wasser benutzt wurden und die Beträge der hinzugefügten Enzyme 0,028 g Cellulase AP 3 (mit einer gesamten Endo-1,4-betaglucanase-Aktivität von 1350 nkat) und 0,048 g Cellulase CP (mit einer gesamten Endo-1,4-beta-glucanase-Aktivität von 1350 nkat) waren. Die Viskositäten und die Molekulargewichtsverteilungen der durch beide Cellulasen erzeugten Hydrolysate waren ähnlich zu den Hydrolysaten, die mit den von Trichoderma reesei abgeleiteten Enzymen hergestellt worden waren.
Die Viskositäten der verschiedenen Cellulosederivaten und ihre Hydrolysate, wie oben beschrieben wurden, wurden gemessen unter Benutzung eines Haake-Rotovisco-Viskosimeter mit Sensorsystem NV (Karlsruhe, Bundesrepublik Deutschland) (Tabelle 2). Die Viskositäten wurden in Wasserlösung bei 25ºC gemessen. Tabelle 2 gibt die Konzentrationen (Gewicht) einer Verschiedenheit von Lösungen an, die alle die gleiche Viskosität haben. TABELLE 2 Konzentrationen von Cellulosederivaten und ihrer entsprechenden Hydrolysaten in Lösung, die alle eine Viskosität von 20 mPa (Milli-Pascal-Sekunden) bei 25ºC aufweisen. Cellulosederivat Konzentration (in Gewicht) Methylcellulose Methylcellulosehydrolysat Hydroxypropylmethylcellulose Hydroxypropylmethylcellulose-hydrolysat Carboxymethylcellulose Carboxymethylcellulosehydrolysat
Wie die Daten in Tabelle 2 anzeigen, weist das Hydrolysat eine Cellulosederivates eine wesentlich niedrigere Viskosität als ein gleicher Gewichtsbetrag des Cellulosederivates selbst in einer wässrigen Lösung auf.

Beispiel 4: Chemische Hydrolyse von Carboxymethylcellulose

2 g Carboxymethylcellulose (Blanose-Cellulose-Gummi 7 LFD, Hercules Chemical Co., 92507 Rueil-Malmaison Cedex, Frankreich) wurde während ungefähr einer Stunde in 100 ml einer 1M Schwefelsäurelösung bei ungefähr 100ºC hydrolysiert. Nach der Hydrolyse wurde die Lösung auf ungefähr Zimmertemperatur abgekühlt, auf einen pH- Wert 6 mit 25 ml einer 25%-igen (Gewicht) NaOH-Lösung neutralisiert und gefriergetrocknet. Diese Hydrolysebehandlung erzeugte eine Mischung von Oligomeren, die weniger als 4 Gewichtsprozent Saccharide (Cellobiose und Glukose) enthalten. Die Viskosität (und der mittlere DP) dieses Hydrolysates ist ähnlich den Viskositäten (und mittlerem DP) der Hydrolyse, die durch enzymatische Behandlungen erzeugt wurden, wie oben beschrieben wurde, indem Enzyme benutzt wurden, die aus Trichoderma reesei abgeleitet sind.
Carboxymethylcellulose-(CMC-) Hydrolysate können durch enzymatische, chemische oder physikalische Methoden dargestellt werden, wie in den US-Patentanmeldungen mit den Seriennummern 07/309 387, 07/370 629 und 07/464 291 offenbart ist. CMC-Hydrolysate, die bei der vorliegenden Erfindung benutzt werden, weisen einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von 5 bis 500 auf, basierend auf dem viskositätsgemittelten Molekulargewicht. Die viskositätsgemittelten Molekulargewichte der CMC-Hydrolysate wurden unter Benutzung der Mark-Houwink-Beziehung berechnet:
[η] = KMva,
wobei [η] die Grenzviskositätszahl ist, Mv das viskositätsgemittelte Molekulargewicht des Polymers ist und K und a hydrodynamische Konstanten sind, die für das spezielle Polymer-Lösungssystem charakteristisch sind. Die Werte von K und a für CMC, die bei dieser Untersuchung benutzt wurden, waren K = 0,043 in 0,2 M NaCl und a = 0,76 in 0,2 M NaCl, wie von Brown and Henley, Studies on Cellulose Derivatives Part IV beschrieben wurde. Die Konfiguration der Polyelektrolyte in Natriumchloridlösungen, Macromol. Chem., Band 79, 68-88 (1964). Es ist anzumerken, daß es eine Vielzahl von Verfahren zum Bestimmen gemittelter Molekulargewichte gibt und daß daher die Werte der bestimmten mittleren Molekulargewichte als auch die daraus berechneten mittleren DP von dem experimentellen Verfahren und der Basis für die Berechnung abhängen. CMC-Hydrolysate, die in dieser Erfindung beschrieben sind, weisen eine Grenzviskositätszahl von 50 ml pro Gramm bis 3 ml pro Gramm auf, wenn sie in 0,2M Natriumchlorid bestimmt werden. Die CMC-Hydrolysate weisen Viskositätswerte in dem Bereich von 5 bis 100 mPa auf, wenn sie in 20%-iger (Gewicht) Lösung bei 25ºC mit einer Scherrate von 584s unter Benutzung eines Haake- Viskotesters VI 500 mit Sensorsystem NV (Karlsruhe, Bundesrepublik Deutschland) gemessen werden.
Der Mark-Houwink-Exponent a zeigt die Gestaltung der Polymerkette in Lösung an. Die Gestaltung der Polymerkette in Lösung kann klassifiziert werden als 1) eine undurchlässige dichte Kugel, 2) eine zufällige Spule, z.B. halbdurchlässig oder freiablaufend und 3) kleines Stäbchen oder stäbchenartig. Mark-Houwink-Exponenten von 0,002 bis ungefähr 0,5 entsprechen dichten Kugeln, Exponenten von ungefähr 0,5 bis ungefähr 0,8 entsprechen halbdurchlässigen zufälligen Spulen, Exponenten von 0,8 bis ungefähr 1,2 entsprechen freiablaufenden zufälligen Spulen und Exponenten von ungefähr 1,2 bis ungefähr 2 entsprechen kleinen Stäbchen oder stäbchenartigen Oligomeren oder Polymeren.
Bei einer Ausführungsform dieser Erfindung weist das Abbauprodukt des Polysaccharidderivates eine Mischung von Oligomeren der Polysaccharide auf, die einen Mark-Houwink-Exponent von mindestens 1,5 in einer NaCl-Konzentration von ungefähr 0,005N bis ungefähr 0,5N aufweist. Dieser NaCl-Konzentrationsbereich wird typischerweise benutzt, wenn Mark-Houwink-Exponenten gemessen werden. Der Salzgehalt von Lebensmittel kann auch typischerweise in diesem Bereich fallen.
Rohes CMC-Material (Mw> 15.000 Dalton) weist Mark-Houwink-Exponenten von 0,83 bis 0,97 auf, was eine freiablaufende zufällige Spulengestaltung anzeigt. Bei der zufälligen Spulengestaltung sind Polymerspulen durch Intra-Kettenwechselwirkungen eingeschlossen; daher wird eine geringere Änderung in dem Mark-Houwink-Exponenten innerhalb des gleichen Bereiches der ionischen Stärke gesehen. Wenn jedoch das gewichtsgemittelte Molekulargewicht kleiner als 15.000 Dalton ist, ist die CMC-Kette nicht ausreichend lang zum Bilden einer gewundenen Spule, die Polymerkette wird nicht länger den Beschränkungen der Intra-Kettenwechselwirkungen ausgesetzt, und eine Kette freier Streifen oder stäbchenartiger Konfiguration kann gebildet werden. Wenn die ionische Stärke gering ist, wird die elektrostatische Abstoßungskraft aufgrund der negativen Ladung der Carboxymethylgruppen überwiegend, und das Polymer nimmt seine steifeste stäbchenartige Gestaltung mit dem höchsten Wert der Mark-Houwink-Exponenten an. Wenn die ionische Stärke zunimmt, wird die negative Ladung der Carboxymethylgruppen abgeschirmt, die Abstoßungskraft zwischen benachbarten Gruppen wird verringert und die Polymerketten entspannen sich, wodurch ein niedriger Mark-Houwink-Exponent folgt.
Die experimentell bestimmten Daten zeigen, daß das Molekulargewicht und die Kettengestaltungseigenschaften der bevorzugtesten Cellulosederivatoligomermischungen, die bei der Erfindung benutzt werden, d.h. Mischungen, die ein signifikanten oder wesentlichen Anteil von Oligomeren der stäbchenartigen Gestaltung enthalten, deutlich unterschiedlich von denen der nicht abgebauten Cellulosederivate sind. Wie durch die experimentell bestimmten Mark-Houwink-Werte a gezeigt wird, die in Tabelle 3 unten für gewichtsgemittelte Molekulargewichte Mw von CMC mit weniger als 15.000 Dalton (a = 1,58 bis 2,07) aufgeführt sind, ist der Literaturwert von a = 0,74 für CMC für CMC mit einem Mw von weniger als 15.000 Dalton falsch. Diese experimentell bestimmten Daten zeigen quantitativ, daß das relativ kurze Ketten-CMC eine stäbchenartige Konfiguration annimmt, was im Gegensatz zu der freiablaufenden zufälligen Spulengestaltung der unabgebauten Polymere ist. TABELLE 3 Mark-Houwink-Beziehung für CMC (25ºC) NaCl Konzentration Gewichtsgemitteltes Molekulargewicht
Weiterhin weisen die bevorzugtesten Oligomermischungen gemäß der Erfindung einen relativ schmalen Bereich von Molekulargewichten auf, d.h. relativ monodispers mit einem Polydispersie-Index (Mw/- Mn, gewichtsgemitteltes Molekulargewicht geteilt durch Zahlengewichte des Molekulargewicht) von weniger als ungefähr 2,0 und typischerweise weniger als ungefähr 1,8. Die gewichtsgemittelten Molekulargewichte und die zahlengewichteten Molekulargewichte einer Vielzahl von CMC-Hydrolysatbeispiele mit verschiedenem Grad von Hydrolyse wurden gemessen, und der Polydispersie-Index für alle solche Hydrolysate wurde als im Bereich zwischen ungefähr 1,1 und ungefähr 1,9 liegend berechnet. Daher erstrecken sich die Oligomere in einer bevorzugtesten Mischung von Oligomeren über einen relativ schmalen Bereich von Mw, und selbst bezüglich von Mischungen mit einem mittleren Molekulargewicht bei oder nahe der oberen Grenze von Mw, wo die Oligomere, die eine zufällige Spurenanordnung annehmen könnten, zu einem deutlichen Anteil vorhanden sind, bevorzugt für eine Mehrheit weisen die Oligomere eine stäbchenartige Konfiguration auf.
Bei dieser experimentellen Bestimmung von Mw-Werten wurden CMC- Lösungen in 0,2N NaCl-Lösung bei einem pH-Wert von 7 dargestellt. Die Lösungen wurden durch eine HPLC-Säule gegeben, und die Lichtintensität wurde durch Vielwinkellaserlichtstreuung bestimmt, indem ein Wyatt Technology Vielwinkellaserlichtstreuinstrument, Modell DAWN-F benutzt wurde. Die Flußrate betrug 0,2 ml/min. Die Konzentrationen der Lösungen wurden durch ein Refraktometer bestimmt, und die Empfindlichkeit des Refraktometers betrug 64. Die gewichtsgemittelten Molekulargewichte Mw wurden unter Benutzung geeigneter Computersoftware bestimmt.

Beispiel 5: Darstellung von Kapseln unter Benutzung von Carboxymethylcellulosehydrolysaten

1. Ein Hundert Milliliter 4-prozentiger (Gewicht) Gelatine aus Schweinehaut (Blockstärke 175) wurde in destilliertem Wasser gelöst, und ein Hundert Milliliter von 1 Prozent (Gewicht) Carboxymethylcellulosehydrolysat mit einer Grenzviskositätszahl von 31,4 ml/g (mittlerer DP ungefähr 40) wurde in destilliertem Wasser bei 60ºC vorbereitet. Die CMC-Hydrolysatlösung und die Gelatinelösung wurden in ein 1000 ml Becherglas gegeben, gemischt und der pH-Wert der Lösung auf 10 eingestellt. 150 ml Sojabohnenöl wurde zu der Lösung gegeben, während mit einem magnetischen Rührer mit 100 upm gerührt wurde. Nachdem eine stabile Emulsion gebildet wurde, wurde der pH-Wert auf 4 eingestellt zum Vorsehen von Bedingungen für elektrostatische Wechselwirkung, die zwischen der Gelatine und dem CMC-Hydrolysat stattfinden.
Die Temperatur der Lösung wurde auf weniger als 15ºC für das Gelieren der Gelatine auf der Oberfläche der Koazervatkapseln gesenkt. Die Kapseln wurden mit Wasser gewaschen zum Entfernen verbleibender Gelatine. Sphärische Kapseln wurden mit Größen in dem Bereich von 400 um bis 500 um gebildet.
Die Kapseln wurden dann in 1 Prozent Glutaraldehydlösung suspendiert und für 15 Minuten zum Stärken der Kapselwände gerührt. Die Kapseln wurden mit Wasser gewaschen, und das Wasser wurde unter Benutzung eines Siebes gegossen. Eine Kapselaufschwämmung wurde erhalten und ein Teil der Kapselaufschwämmung wurde getrocknet. Die Kapseln weisen eine dünne Membran mit einer Wanddicke von weniger als ungefähr 2 um auf (Figur 2).
2. Kapseln wurden mit dem gleichen Vorgehen wie oben dargestellt, jedoch mit CMC von hohem Molekulargewicht mit einer Grenzviskositätszahl von 280.4 ml/g (dem mittleren DP von ungefähr 700), anstelle des CMC-Hydrolysates. Diese Kapseln hatten eine Membran mit einer Dicke von mehr 10 um und wiesen Irregularitäten auf den Membranwänden auf (Figur 3).
Die in jedem Beispiel erhaltenen Kapseln wurden den folgenden Tests ausgesetzt:
a) Beschallungstest
Zum Testen der relativen Stärke wurden die Kapseln beschallt. Sechs ml Wasser und 0,1 ml voll hydrierter Kapselaufschlämmung wurden gemischt. Nachdem sie 5 Minuten standen, wurden die Kapseln beschallt unter Benutzung eines Bransonic Ultrasonic Reinigermodelles 1200 (Danbury, CT) während 2 Minuten. Die Ultraschallbehandlung bricht die Kapseln und gibt das Öl frei. Das freigegebene Öl wird durch erhöhte Trübung in der wässrigen Phase angezeigt. Die Trübung der wässrigen Phase wurde mit einem Spektrophotometer bei 595nm gemessen. Höhere Trübung zeigt mehr gebrochene Kapseln auf, daher zerbrechlichere und instabilere Kapselnmembranen.

b) Wärmetest

Dieser Test sieht relative Werte der thermischen Stabilität und der mechanischen Festigkeit der Kapseln vor. Bekannte Beträge von Kapseln wurden auf Mikroskopglasträger ausgebreitet und in einem 50ºC-Ofen über Nacht getrocknet. Die Probe wurde auf 265ºC während 20 Minuten erwärmt. Der Betrag des Ölverlustes wurde gemessen.
c) Messung des suspendierten Volumens
Zum Messen des Gesamtvolumens der Kapseln wurden die vorbereiteten Kapseln quantitativ in 1000 ml Wasser suspendiert. Das Volumen der suspendierten Kapseln wurde in einem mit Meßskala versehenen Zylinder bestimmt.

Resultat

Die aus Carboxymethylcellulosehydrolysaten (CMC-Hydrolysaten) dargestellten Kapseln wiesen eine Absorption von 0,86 bei 595nm in dem Beschallungstest auf. Fünf Prozent Öl wurde verloren, wie durch den Wärmetest bestimmt wurde, und das suspendierte Volumen war 217 ml. Die aus Carboxymethylcellulose mit hohem Molekulargewicht dargestellten Kapseln wiesen jedoch eine Absorption von 1,30 auf. Neun Prozent Öl wurde durch den Wärmetest verloren, und das suspendierte Volumen betrug 280 ml. Nach diesen Tests sind die mit Hydrolysaten niedrigem Molekulargewicht dargestellten Kapseln stabiler, weisen eine stärkere Kapselmembran auf, nehmen weniger Volumen ein und sind kompakter als die aus CMC mit hohem Molekulargewicht dargestellten. Daher können die mit CMC-Hydrolysat dargestellten Kapseln mehr Öl in einem gegebenen Volumen mit überlegenen mechanischen Eigenschaften aufnehmen.
3. Carboxymethylcellulosehydrolysatkapseln wurden mit 200 ml Öl dargestellt.
4. Kapseln aus Carboxymethylcellulose mit hohem Molekulargewicht wurden mit 200 ml Öl dargestellt.
Testresultate zeigen, daß mit CMC-Hydrolysaten dargestellte Kapseln dünnere Membranen und bessere mechanische Eigenschaften aufweisen als Kapseln, die mit dem CMC von hohem Molekulargewicht dargestellt sind.
5. Carboxymethylcellulosehydrolysatkapseln wurden mit 250 ml Öl dargestellt.
6. Kapseln mit Carboxymethylcellulose von hohem Molekulargewicht wurden mit 250 ml Öl dargestellt.
Die mit CMC-Hydrolysat dargestellten Kapseln wiesen eine dünne Membran und sphärische Form ohne Lecken oder Reißen der Kapseln auf. Die mit dem CMC von hohem Molekulargewicht dargestellten Kapseln lecken jedoch mit einem beträchtlichen Teil Öl, wobei viele Kapseln brechen, vermutlich wegen des Fehlens mechanischer Festigkeit der Kapselnmembrane.
7. CMC-Hydrolysate mit einer Grenzviskositätszahl von 18,6 ml/g (der mittlere DP ungefähr 20) wurden zum Darstellen der Kapsel benutzt.
8. CMC-Hydrolysatkapseln wurden dargestellt mit Gelatine mit einer Blockstärke von 300.
9. CMC-Hydrolysatkapseln wurden mit zwei Prozent Gelatine mit einer Blockstärke von 175 dargestellt.
10. CMC-Kapseln mit hohem Molekulargewicht wurden mit zwei Prozent Gelatine mit einer Blockstärke von 175 dargestellt.
Testresultate zeigen, daß die unter Benutzung von Carboxymethylcellulosehydrolysat dargestellten Kapseln in mechanischer Eigenschaft denen überlegen sind, die mit CMC-Cellulose von hohem Molekulargewicht dargestellt sind.

Beispiel 6: Darstellung von Kapseln unter Benutzung von Carboxymethylstärkehydrolysaten

Das Verfahren von Beispiel 5 wurde mit Carboxymethylstärkehydrolysat und mit Carboxymethyl-(CM)Stärke von höherem Molekulargewicht wiederholt (Primojel: Avebe, 9607 PT Foxhol, Niederlande). Carboxymethylstärkehydrolysat wurde wie in Beispiel 1 beschrieben dargestellt.
1. Kapseln wurden unter Benutzung von Carboxymethyl-(CM-)Stärkehydrolysat dargestellt.
2. Kapseln wurden unter Benutzung von Carboxymethylstärke von hohem Molekulargewicht dargestellt.
Die Kapseln, die unter Benutzung von Carboxymethylstärkehydrolysat dargestellt wurden, wiesen eine ziemlich sphärische Form von ungefähr 300 um Durchmesser mit dünnen Membranen auf (Figur 4). Die Kapseln, die unter Benutzung von Carboxymethylstärke dargestellt worden waren, waren jedoch meistenteils zerbrochen (Figur 5).

Claims

1. Unlösliche Polymerkapsel mit mindestens zwei Polymerkomponenten, wobei eine der Komponenten ein hydrophiles Kolloid ist und eine andere der Komponenten ein Abbauprodukt eines Polysaccharidderivates ist, wobei das Abbauprodukt eine Mischung von Oligomeren aufweist, von denen eine Mehrheit einen Polymerisationsgrad derart aufweist, daß die Polymere mit einer stäbchenartigen Konfiguration übereinstimmen und einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 aufweisen.

2. Kapsel nach Anspruch 1, bei der die Kapsel eine Wanddicke von weniger als ungefähr 10 um aufweist.

3. Kapsel nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Polysaccharidderivat ein Cellulosederivat, ein Stärkederivat, Carrageenan, Pullulan, Pustulan, Alginat, Laminarin, Guaran, Gummi arabicum, Inulin, Pektin, Whelan, Rhamsan, Gellan, Xanthan, Skleroglucan, Zooglan, Methylan, Chitin, Cyclodextrin oder Chitosan ist.

4. Kapsel nach Anspruch 3, bei der das Polysaccharidderivat einen oder mehrere Substituenten aufweist, die aus Carboxymethyl, Methyl, Hydroxypropyl, Methylethyl, Hydroxyethyl, Hydroxymethylethyl, Hydroxypropylmethyl, Sulfat, Carboxylsäure, Carboxylsäureester und Pyruvat gewählt sind.

5. Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Mischung aus Oligomeren eine Molekulargewichtsverteilung derart aufweist, daß der Polydispersie-Index der Mischung kleiner als 2 ist.

6. Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Mischung der Oligomere weniger als 25 Gewichtsprozent Mono- und Di-Saccharide enthält.

7. Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die weiter eine Substanz innerhalb der Kapsel aufweist.

8. Kapsel nach Anspruch 7, bei der die Substanz eine bioaktive Substanz und/oder ein Öl ist.

9. Kapsel nach Anspruch 8, bei der die bioaktive Substanz ein Kosmetikum, ein Lebensmittel oder ein Nahrungsmittelprodukt ist.

10. Kapsel nach Anspruch 8, bei der das Öl aus tierischem Öl, pflanzlichem Öl, Mineralöl und synthetischem Öl gewählt ist.

11. Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der das hydrophile Kolloid in der Lage ist, zu gelieren und ionisierbar oder nicht-ionisierbar ist.

12. Kapsel nach Anspruch 11, bei der das gelierbare Kolloid Gelatine, Albumin, Gummi arabicum, ein Alginat, Casein, Agar-Agar oder ein Pektin ist.

13. Kapsel nach Anspruch 11 oder 12, bei der das hydrophile Kolloid eine entgegengesetzte Ladung zu der Mischung der Oligomere aufweist.

14. Kapsel nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Kapselmembrane eine Dicke von 2 um bis 10 um aufweist.

15. Verfahren zum Herstellen einer Polymerkapsel, mit:

a) Kombinieren eines hydrophile Kolloids und eines Abbauproduktes eine Polysaccharidderivates, wobei das Abbauprodukt eine Mischung aus Oligomeren aufweist, von denen eine Mehrheit einen Polymerisationsgrad derart aufweist, daß die Polymere mit einer stäbchenartigen Konfiguration übereinstimmen und einen mittleren Polymerisationsgrad in dem Bereich von ungefähr 3 bis 100 aufweisen;

b) Vorsehen von Bedingungen, die für die Wechselwirkung zwischen dem hydrophilen Kolloid und der Mischung der Oligomere von Schritt a) zum Bilden von Polymerkapseln ausreichen; und

c) Entfernen der verbleibenden Polymerkomponenten von den Kapseln.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das hydrophile Kolloid wie in Anspruch 11, 12, oder 13 definiert ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem das hydrophile Kolloid eine zu der Mischung von Oligomeren entgegengesetzte Ladung aufweist und der pH-Wert in Schritt b) so eingestellt wird, daß Ionen des Kolloids und der Oligomere verschiedene elektrische Ladungen aufweisen und Koazervattröpfchen oder Kapseln bilden.

18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, bei dem die Mischung von Oligomeren wie in einem der Ansprüche 3, 4, 5 oder 6 ist.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, weiter mit Kombinieren der Mischung von Schritt a) mit einer Substanz, die darin einzukapseln ist, wodurch Kapseln gebildet werden, die die Substanz enthalten.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Substanz eine in einem der Ansprüche 8 bis 10 definierte ist.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, weiter mit Verstärken des unlöslichen Polymerkomplexes durch Vernetzen der Membrane mit einem Vernetzungsmittel.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Vernetzungsmittel von Glutaraldehyd, Dialdehyd und Formaldehyd gewählt wird.

23. Verfahren zum Herstellen eines Lebensmittels mit Kontaktieren der Kapseln von Anspruch 7 mit einem Lebensmittel und Freigeben der in der Kapsel angeordneten Substanz, wodurch ein Lebensmittelprodukt gebildet wird, daß die Substanz enthält.

24. Verfahren nach Anspruch 23, bei dem die Substanz ein Öl oder eine Ölphase ist.

25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, bei dem die Kapsel in einem Kochschritt zerstört werden, nicht entfernt werden und ein Teil des Endproduktes werden.

26. Papierprodukt, bei dem eine Oberfläche davon mit den Kapseln von Anspruch 7 beschichtet ist, wobei die Kapseln zerstörbar sind durch auf das beschichtete Papier ausgeübten Druck.

27. Papierprodukt, bei dem eine Oberfläche davon mit den zerstörten Inhalten der Substanz und Kapseln von Anspruch 7 beschichtet ist.

28. Papierprodukt nach Anspruch 27, bei dem die zerstörten Kapseln eine kontinuierliche Membran auf der Oberfläche des Papierproduktes bilden, wodurch ein beschichtetes Papierprodukt gebildet wird.

29. Papierprodukt nach Anspruch 26, bei dem die Substanz in der Kapsel ein Öl in Kombination mit einem Farbreaktionsmittel aufweist, das sich in eine farbige Form in Kontakt mit geeignetem Aufzeichnungsmaterial umwandelt.