EP2776514A1 - Verfahren zur herstellung von milchprotein-nanopartikeln - Google Patents

Verfahren zur herstellung von milchprotein-nanopartikeln

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Publication number
EP2776514A1
EP2776514A1 EP12801468.5A EP12801468A EP2776514A1 EP 2776514 A1 EP2776514 A1 EP 2776514A1 EP 12801468 A EP12801468 A EP 12801468A EP 2776514 A1 EP2776514 A1 EP 2776514A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
milk
nanoparticles
protein
treatment
polymer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12801468.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anke Domaske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
QMILCH IP GmbH
Original Assignee
QMILCH IP GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by QMILCH IP GmbH filed Critical QMILCH IP GmbH
Publication of EP2776514A1 publication Critical patent/EP2776514A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C07K1/1072—General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length by chemical modification of precursor peptides by covalent attachment of residues or functional groups
    • C07K1/1077—General methods for the preparation of peptides, i.e. processes for the organic chemical preparation of peptides or proteins of any length by chemical modification of precursor peptides by covalent attachment of residues or functional groups by covalent attachment of residues other than amino acids or peptide residues, e.g. sugars, polyols, fatty acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08J3/12—Powdering or granulating
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    • C07K14/46—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates
    • C07K14/47—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates from mammals
    • C07K14/4701—Peptides having more than 20 amino acids; Gastrins; Somatostatins; Melanotropins; Derivatives thereof from animals; from humans from vertebrates from mammals not used
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    • C08L2205/00—Polymer mixtures characterised by other features
    • C08L2205/14—Polymer mixtures characterised by other features containing polymeric additives characterised by shape
    • C08L2205/16—Fibres; Fibrils

Definitions

  • Japanese Patent 20090280148 (akiko Aimi) describes casein-based nanoparticles that are stable in the acidic range and that can be prepared with another active ingredient without the use of surfactants and synthetic polymers having a controllable size.
  • the casein is dissolved in a basic, aqueous medium between pH 8 and pH 11 in a buffer medium or ethanol.
  • a casein-based biopolymer and the detection by photometric evaluation of the nanoparticles has been described, there is no description with respect to industrial production. A post-treatment of the corresponding suspension to achieve an economically useful product is not described.
  • German patent PCT / EP2007 / 052320 (BASF SE) "Process for the preparation of polymeric nanoparticles” comprises semisynthetic protective colloids, including casein, in which case the polymer product is obtained starting from polymerizable monomers using light energy. Absorber, UV treatment and the necessary photoinitiator as a chemical compound that releases free radicals under the influence of light. Photo initiators are indispensable in UV treatment, because they ensure the chemical crosslinking process under the UV lamp EU directive already with a share of 2.5% in the recipe, the tree fish symbol is a labeling requirement and must be disposed of in hazardous waste.
  • nanoparticles presented so far shows in numerous investigations possible harmful environmental and harmful aspects of nanotechnologies, such as the inclusion of the particles in the organism via the respiratory tract, the skin and the mouth, even in already on the market products such as cosmetics and food additives.
  • the invention is based on the invention to avoid the disadvantages mentioned above and to produce nanoparticles preferably from renewable raw materials and preferably without the addition of acrylates and fossil raw materials.
  • the nanoparticles have a water content. To impart moisture resistance.
  • the invention is intended in particular to reduce the processing time and the use of chemicals, wherein the nanoparticles are preferably and largely to be produced from renewable or biodegradable raw materials. At the same time, water and energy consumption are to be reduced and productivity increased.
  • the object is achieved by a method according to the main claim:
  • the present invention is directed to nanoparticles prepared by a continuous or discontinuous process of a composition comprising destructured milk proteins, biodegradable thermoplastic polymers and plasticizers.
  • At least one milk-derived protein or alternatively also a bacterium-produced protein is plasticized together with a plasticizer at temperatures between room temperature and 140 ° C under mechanical stress.
  • the invention is based on the finding that the milk proteins and in particular casein and its derivatives can be plasticized and polymerized in this way. It is preferably provided that the plasticizing takes place at temperatures preferably up to 140 ° C.
  • the protein is intensively mixed or kneaded together with a plasticizer and subjected to mechanical stress.
  • the required plasticizing temperature is significantly reduced by the plasticizer.
  • the milk protein is preferably casein or lactalbumin or soy protein.
  • the milk-derived protein can be made by precipitating milk in situ.
  • the milk in mixture with rennet, other suitable enzymes or acid introduced directly as a flocculated mixture in the process or the pressed flocculated protein can be used wet.
  • a separately previously obtained, possibly purified, pure or mixed protein, i. a protein fraction from milk are used, e.g. dried as a powder.
  • the protein fraction can also be produced by ultrafiltration or by cell cultures.
  • the milk proteins can be modified, for example, with additional salts such as sodium and potassium in further processing steps, so that a casein is produced.
  • the milk protein used according to the invention can be mixed with other proteins in a proportion of preferably up to 70% by weight, based on the milk protein.
  • other albumins such as ovalbumin and vegetable proteins, in particular lupine protein, soy protein or wheat proteins, in particular gluten in question.
  • the mixture of solvent and protein is heated, usually under pressure conditions and shear, to accelerate the crosslinking process.
  • Chemical or enzymatic agents can also be used to destructivate and crosslink the milk proteins, oxidize or derivatize, etherify, saponify and esterify.
  • milk proteins are destructured by dissolving the milk proteins in water. The milk proteins are completely destructed if there are no clumps that affect the polymerisation.
  • a plasticizer can be used in the present invention to destructurise the milk proteins and allow the milk proteins to flow, i. H. to produce thermoplastic milk proteins.
  • the same plasticizer or other plasticizer can be used to increase melt processability, or two separate plasticizers can be used.
  • the plasticizers can also improve the flexibility of the final products, believed to be due to the lowering of the glass transition temperature of the composition by the plasticizer.
  • the plasticizers are substantially compatible with the polymeric components of the present invention so that the plasticizers can effectively modify the properties of the composition.
  • the term "substantially compatible" means that the plasticizer, when heated to a temperature above the softening and / or melting temperature of the composition, is capable of forming a substantially homogeneous mixture with milk proteins.
  • the plasticizer is preferably water, which is used in an amount between 20 and 80% based on the weight of the protein, preferably in an amount of about 40 to 50 wt .-% of the protein content.
  • plasticizers instead of water or in a mixture with this other plasticizers, in particular alcohols, polyols, carbohydrates in aqueous solution and in particular aqueous polysaccharide solutions can be used.
  • plasticizers and associated proportions by weight are preferred: hydrogen bridge-forming organic compounds having no hydroxyl group, e.g. Urea and derivatives, animal proteins, e.g. Gelantine, - vegetable proteins such as e.g. Cotton, soybean, and sunflower proteins, esters of generating acids which are biodegradable, e.g. Citric acid, adipic acid, stearic acid, oleic acid, hydrocarbon-based acids, e.g. Ethylene acrylic acid, ethylene maleic acid, butadiene acrylic acid, butadienoic acid, propylene acrylic acid, propylene maleic acid, sugar, e.g.
  • Maltose, lactose, sucrose, fructose, maltodextrin, glycerol, pentaerythritol and sugar alcohols e.g. Malite, mannitol, sorbitol, xylitol, polyols, e.g. Hexanetriol, glycols and the like, also mixtures and polymers, - sugar anhydrides, e.g. Sorbitan, esters, e.g.
  • hydroxylic plasticizer Important influencing factors are the affinity for the proteins, the amount of protein and the molecular weight. Glycerine and sugar alcohols are among the most important plasticizers. Parts by weight of plasticizers are e.g. 5% - 55%, but may also be in the range of 2% - 75%. Any of alcohols, polyols, esters and polyesters may be used in proportions by weight, preferably up to 30% in the polymer blend.
  • Theological properties are the Theological properties, so that a good processing is possible. Strain-strain solidification is necessary to form a stable polymer structure.
  • the melting temperature is usually in a temperature range of 30 ° C to 190 ° C. Additional temperatures should be lowered with diluents and plasticizers.
  • the biodegradability of the polymers i. their decomposition by living things and their enzymes is an important property of the polymeric milk protein nanoparticles.
  • Biodegradable thermoplastic polymers suitable for use in the present invention include, for example, lactic acid polymers, lactide polymers, glycolide polymers, including their homo- and copolymers, and mixtures thereof; aliphatic polyesters of dibasic diols / acids; aliphatic Polyesteramides, aromatic polyesters, also of modified polyethylene terephthalates and polybutylene terephthalates; polycaprolactones; aliphatic / aromatic copolyesters; Poly (3-hydroxyalkanoates), including those copolymers and / or other -valerates, - hexanoates and alkanoates, polyesters and dialkanoyl polymers, polyamides and copolymers of polyethylene / vinyl alcohol.
  • thermoplastic polymer for this invention, polyvinyl alcohol and copolymers, aliphatic amide and ester copolymers composed of monomers, e.g. Dialcohols (1, 4-butanediol, 1, 3-propanediol, 1, 6-hexanediol, etc.) or ethylene and diethylene glycol, aliphatic polyester amides, (aliphatic esters are formed with aliphatic amides) or by other reactions, such as.
  • monomers e.g. Dialcohols (1, 4-butanediol, 1, 3-propanediol, 1, 6-hexanediol, etc.
  • aliphatic polyester amides aliphatic esters are formed with aliphatic amides
  • Polybutylene succinate / adipate copolymer polyalkylene; Polypentamethylsuccinate; Polyhexamethylsuccinate; Polyheptamethylsuccinate; Polyoctamethylsuccinate; Polyalkylene oxalates such as polyethylene oxalate and polybutylene oxalate polyalkylene succinate copolymers such as polyethylene succinate-adipate copolymer and; Polyalkylene oxalate copolymers such as polybutylene oxalate / succinate copolymer and polybutylene oxalate / adipate copolymer; Polybutylene oxalate / succinate / adipate terpolymers; and mixtures thereof are non-limiting examples of aliphatic polyesters of dibasic acids / diols, e.g. from polymerizations of acids and alcohols or ring-opening reactions and are suitable for the production of a polymer.
  • biodegradable polymers are aliphatic / aromatic copolyesters. These are derived from dicarboxylic acids and derivatives such as malonic, succinic, glutaric, adipic, pimelic, azelaic, sebacic, fumaric, 2,2-dimethylglutaric, suberic, 1,3-cyclopentanedicarboxylic , 1,4-Cyclohexanedicarboxylic, 1,3-cyclohexanedicarboxylic, diglycol, itaconic, maleic, 2,5-norbornanedicarboxylic, 1,4-terephthalic, 1,3-terephthalic, 2,6-naphthoic -, 1, 5 Naphthoic acid, ester-forming derivatives and mixtures thereof, and diols, eg, ethylene glycol, diethylene glycol, triethylene glycol, tetraethylene glycol, propylene glycol, 1,3-
  • Examples of such aliphatic / aromatic copolyesters include blends of poly (tetramethylene glutarate-co-terephthalate), poly (tetramethylene glutarate-co-terephthalate), poly (tetramethylene glutarate-co-terephthalate), poly (tetramethylene glutarate-co-terephthalate), poly (tetramethylene glutarate), co-terephthalate-co-diglycolate), poly (ethylene glutarate-co-terephthalate), poly (tetramethylene adipate-co-terephthalate), an 85/15 blend of poly (tetramethylene succinate-co-terephthalate), poly (tetramethylene-co-ethylene-glutarate-co terephthalate), poly (tetramethylene-co-ethylene-glutarate-co-terephthalate).
  • the processability of the protein mass can be modified by other materials to influence the physical and mechanical properties of the protein mass but also of the final product.
  • Non-limiting examples include thermoplastic polymers, crystallization accelerators or inhibitors, odor masking agents, crosslinking agents, emulsifiers, salts, lubricants, surfactants, cyclodextrins, lubricants, other optical brighteners, antioxidants, processing aids, flame retardants, dyes, pigments, fillers, proteins and their alkali salts, waxes, Adhesive resins, extenders and mixtures thereof. These adjuvants are bound to the protein matrix and influence their properties.
  • Salts can be added to the melt.
  • Non-limiting examples of salts include sodium chloride, potassium chloride, sodium sulfate, ammonium sulfate, and mixtures thereof.
  • Salts can affect the solubility of the protein in water, but also the mechanical properties. Salts can serve as binders between the protein molecules.
  • lubricants can affect the stability of the polymer. These can reduce the stickiness of the polymer and reduce the coefficient of friction.
  • Polyethylene would be a non-limiting example.
  • the physical properties of the polymer composition may be affected by other proteins, including without limitation, plant proteins such as sunflower protein or animal such as gelatin. Water-soluble polysaccharides and water-soluble synthetic polymers, such as polyacrylic acids, can also influence the mechanical properties.
  • Monoglycerides and diglycerides and phosphatides, as well as other animal and vegetable fats can influence and promote the flow properties of the biopolymer.
  • Inorganic fillers are also among the possible additives and can be used as processing agents. Possible examples without limitation are oxides, silicates, carbonates, lime, clay, limestone and kieselguhr and inorganic salts. Stearate-based salts and rosin can be used to modify the protein mixture.
  • Amino acids the components of the proteins and peptides may be added to the polymer composition to enhance particular sheet structures or mechanical properties.
  • glutamic acid, histidine, trytophan, etc. are mentioned as examples.
  • additives include enzymes, surfactants, acids, serpins, as well as phenolic plant molecules, which can contribute as crosslinkers and to improve the mechanical properties, as well as resistance to water and protease resistance.
  • wet strength is a necessary feature in most products. Therefore, it is necessary to add wet strength resins as a crosslinking agent.
  • natural polymers can also be added as additives. Possible examples of natural polymers, without limiting the choice, would be albumins, soy protein, zein protein, chitosan, and cellulose.-polylactide "and" PLA "which can be used in an amount of 0.1% -80%.
  • synthetic polymers such as, inter alia, polyvinyl alcohol, as well as polyesters, or ethers, such as polyethylene glycol, aldehydes, such as glutaraldehyde and acrylic acids.
  • thermoplastics that can be used for co-polymerization, such as - without limitation: polypropylene, polyethylene, polyamides, polyesters and copolymers thereof. Other high molecular weight polymers are also possible.
  • Carbohydrates and polysaccharides, as well as amyloses, oligosaccharides and chenodeoxycholic acids can be used as further auxiliaries and additives.
  • Salts, carboxylic acids, dicarboxylic acids and carbonates, as well as their anhydrides, salts and esters can also be used as additional crosslinkers.
  • Hydroxyde, butyl ester, as well as aliphatic hydrocarbons are other ways to cross-link molecules and form macromolecules.
  • additives and auxiliaries such as lipophilic, hydrophobic, hydrophilic, hydroscopic additives, gloss modifiers and crosslinkers may be provided.
  • the additives and auxiliaries should overall not exceed a proportion by weight of at most about 30% by weight, based on the protein.
  • lipophilic additives vegetable oils, alcohols, fats and can be chosen, which readily hydrophobicize the polymer composition during plasticizing.
  • waxes and greases can be used which add strength to the polymer composition. As waxes are preferred carnauba wax, beeswax, candelilla wax and other naturally derived waxes.
  • the nanoparticles can be further treated or the bound substance can be treated.
  • a hydrophilic or hydrophobic surface treatment can be added to adjust the surface energy and chemical nature of the fabric.
  • hydrophobic nanoparticles or the polymer can be treated with wetting agents to facilitate the absorption of aqueous liquids.
  • a bound substance may also be treated with a topical solution containing surfactants, pigments, lubricants, salt, Contains enzymes or other materials to further adjust the surface properties of the MP nanoparticles or the polymer composition.
  • the milk protein nanoparticles or their polymer composition are preferably prepared in a bottom up or top down process with the required viscosity, in addition to the previously known and described production processes. This serves to increase productivity.
  • the polymer composition is prepared by the continuous or batch processes known from the literature and the person skilled in the art, preferably by mixing or extruding a masterbatch with the addition of additives or by mixing the polymer mass by metering in the raw materials and additives during mixing or extrusion.
  • the polymer composition corresponds to a polymer in which the materials are converted by heating in a plastic state and thus deformed.
  • the temperature exceeds the glass transition temperature of the protein, so that it passes from the amorphous to the rubbery plastic state.
  • this can be further processed directly, preferably to nanoparticles in the top-down process.
  • the polymer composition may be further processed into nanoparticles immediately after exiting the die, or in at least one later processing step.
  • the polymer composition can also pass through a bath prior to curing, this procedure is not particularly preferred and usually not required.
  • the polymer composition may be subjected to a spray treatment after exiting the nozzle.
  • smoothing agents, waxes, lipophilic or crosslinking agents on the surface of the polymer composition be applied.
  • crosslinkers the following are preferred, that is, generally different salt solutions, preferably calcium chloride solution, dialdehyde starch solution, or aqueous lactic acid.
  • the nanoparticles or the polymer can be a gas treatment or an ice treatment or a drying and blowing treatment or an ion treatment or a UV treatment or an enzyme treatment, as well as a renaturation by salts or esterification, etherification, saponification or a further crosslinking, and a Needling and hydroentanglement and the Kaladrieren etc. be subjected.
  • the resulting nanoparticles and their products can be used for any purpose. They can therefore be used for all types of medical biomaterials, for the cosmetics industry, as skin care products, e.g. also be used with UV protection, masking materials, food industry, industrial substances, medical technology, etc., polymers MP nanoparticles can be useful in the fields of textiles and paper making used.
  • the multi-constituent nanoparticles of the present invention may be in many different configurations.
  • Ingredient as used herein by definition means the chemical species or material.
  • Nanoparticles may have a monocomponent or multicomponent configuration. Component as used herein is defined as a separate part of the nanoparticle that is in spatial relationship with another part of the nanoparticle. The resulting nanoparticles can in turn be applied to a matrix.
  • the advantages achieved by the invention include the fact that in the production of nanoparticles according to the invention the reduction of harmful substances and environmentally harmful substances during the process and on the nanoparticles itself is made possible.
  • the nanoparticles are biodegradable.
  • the particularly advantageous properties of the milk protein nanoparticles are attributed to firming structural changes (textural structure) during the plasticization.
  • the nano-sized particles preferably having a diameter of 80-500 nanometers, are preferably made with a top-down or bottom-up method to allow for the highest possible productivity. All manufacturing methods for nanoparticles described in the art and in the literature are possible without exception.
  • Essential to the invention is the preparation of a homogeneously plasticized polymer, preferably a biogenic biopolymer, which is preferably biodegradable.
  • nanoparticles have been developed on this basis to date which are water-resistant and sufficiently protease-acid and alkali-resistant.
  • nanoparticles which are preferably made from renewable raw materials, with a proportion of milk proteins and with properties such as water resistance, sufficient mechanical properties, such as tensile strength, tensile strength, elastic, antibacterial and biodegradable, and the possibility exists by changing the raw material additions meet the requirements of the intended use to influence the properties of the protein nanoparticles.
  • Example 1 Preparation of a milk protein-polymer mass.
  • the extrusion takes place with a twin-screw extruder type 30 E of the company. Collin with a diameter of 30 mm.
  • the preparation of the nanoparticles is carried out by the extruded polymer mass is then extruded by high-energy ball mills pulverized into nanoparticles. Heating takes place via 4 cylinder heating zones with the following temperature sequence 65 ° C, 74 ° C, 75 ° C, 60 ° C:
  • the casein powder is added via a vibrating trough.
  • a hose pump is used to add water.
  • the additives are added.
  • the polymer composition is applied via a top down method e.g. processed a laser ablation process into nanoparticles.
  • the nanoparticles may have a diameter of 80 nm.
  • the raw materials are added to the extruder and mixed the polymer composition.
  • a device 4 for infrared irradiation and blowing the polymer mass passes into a grinder 5, where it is optionally ground with different degrees of grinding.

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Abstract

Es werden Milchproteinnanopartikel mit einem Polymerisationsverfahren hergestellt, bei welchem wenigstens ein aus Milch gewonnenes, thermisch-plastifizierbares Protein mit einem Plastifizierungsmittel, wie beispielsweise Wasser oder Glycerol, bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 140 °C unter mechanischer Beanspruchung plastifiziert und anschließend z.B. im Top Down oder Bottom Up Verfahren zu Nanopartikeln verarbeitet wird.

Description

Verfahren zur Herstellung von Milchprotein-Nanopartikeln
Verfahren zur Herstellung von Polymer-Nanopartikeln sind in der Literatur beschrieben und dem Fachmann bekannt.
Das japanische Patent 20090280148 ( akiko Aimi) beschreibt Nanopartikel auf Basis von Casein, ohne den Einsatz von Tensiden und synthetischen Polymeren, die eine steuerbare Größe haben, im sauren Bereich stabil sind und mit einem weiteren Wirkstoff hergestellt werden können. Jedoch wird das Casein in einem basischen, wässrigen Medium zwischen pH 8 und pH 11 in einem Puffermedium oder Ethanol gelöst. Zwar wurde die Herstellung eines auf Casein basierenden Biopolymers und der Nachweis durch photometrische Auswertung der Nanopartikel beschrieben, jedoch liegt keine Beschreibung in Bezug auf eine industrielle Herstellung vor. Auch eine Nachbehandlung der entsprechenden Suspension, um ein wirtschaftlich verwertbares Produkt zu erreichen, wird nicht beschrieben.
Das deutsche Patent PCT/EP2007/052320 ( BASF SE)„Verfahren zur Herstellung von poiymeren Nanopartikeln" umfasst halbsynthetische Schutzkolloide, darunter auch Casein, wobei ausgehend von polymerisationsfähigen Monomeren unter Einsatz von Lichtenergie das polymere Produkt gewonnen wird. Dabei ist erfindungswesentlich, dass UV-Absorber, UV- Behandlung und der dazu erforderliche Photoinitiator als chemische Verbindung, die unter Lichteinwirkung freie Radikale freisetzt, eingesetzt werden. Photoinitiatoren sind bei der UV-Behandlung unentbehrlich, denn sie gewährleisten den chemischen Vernetzungsprozess unter dem UV- Strahler. Tatsache ist, dass laut EU-Richtlinie schon bei einem Anteil von 2,5 % in der Rezeptur das Baum- Fisch-Symbol als Etikettierungspflicht besteht und im Sondermüll entsorgt werden muss.
Auch in allen weiteren Literaturen sind ausreichend proteinbasierende Nanopartikel beschrieben, jedoch verwenden all diese Literaturen Vernetzungsmittel wie Glutaraldehyd oder PEG, die nachweislich den Allergenen zuzuordnen sind.
Der Einsatz der bisher dargestellten Nanopartikel zeigt in zahlreichen Untersuchungen mögliche umweltschädigende und gesundheitsschädliche Aspekte der Nanotechnologien auf, so zum Beispiel die Aufnahme der Partikel in den Organismus über die Atemwege, die Haut und den Mund, sogar bei schon auf dem Markt befindlichen Produkten wie Kosmetika und Nahrungszusatzstoffen.
Überlegungen zur Entsorgung von Nanopartikeln sind immer noch mit einem Fragezeichen versehen. Beim Erstellen von Entsorgungsrichtlinien muss berücksichtigt werden, ob die Partikel frei oder an eine Matrix gebunden vorliegen, ob sie wasserlöslich sind oder nicht, ob sie zerfallen oder sich zusammenlagern. Deshalb sind mögliche Risiken durch synthetisch basierende Polymernanopartikel, einschließlich der Zusatz -und Hilfsstoffe zur Herstellung, nicht ausgeschlossen. Es sollte angestrebt werden, Nanopartikel möglichst mit biogenen Produkten herzustellen und biologisch abbaubare Polymere zu bevorzugen.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und Nanopartikel vorzugsweise aus nachwachsenden Rohstoffen und vorzugsweise ohne den Zusatz von Acrylaten und fossilen Rohstoffen herzustellen. Daneben ist es ebenfalls A u f g a b e der Erfindung, den Nanopartikeln eine Wasserbzw. Feuchtigkeitsbeständigkeit zu verleihen.
Die Erfindung soll dabei insbesondere die Verarbeitungszeit und den Chemikalieneinsatz herabsetzen, wobei die Nanopartikel vorzugsweise und weitestgehend aus nachwachsenden oder biologisch abbaubaren Rohstoffen herzustellen sind. Zugleich soll der Wasser- und Energieverbrauch gesenkt und die Produktivität gesteigert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst: Die vorliegende Erfindung ist dabei auf Nanopartikel ausgerichtet, die durch einen kontinuierlichen oder diskontinuerlichen Prozess einer Zusammensetzung hergestellt werden, die destrukturierte Milchproteine, biologisch abbaubare thermoplastische Polymere und Weichmacher aufweist.
Dabei wird wenigstens ein aus Milch gewonnenes Protein oder alternativ auch ein durch Bakterien erzeugtes Protein gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel bei Temperaturen zwischen Raumtemperatur und 140 °C unter mechanischer Beanspruchung plastifiziert.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Milchproteine und insbesondere Casein und deren Derivate plastifiziert und auf diese Weise polymerisiert werden können. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Plastifizieren bei Temperaturen vorzugsweise bis 140 °C stattfindet.
Für eine noch schonendere Behandlung wird das Protein gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel intensiv gemischt bzw. geknetet und dabei mechanisch beansprucht. Die dabei erforderliche Plastifizierungstemperatur wird durch das Plastifizierungsmittel deutlich gesenkt.
Bei dem Milchprotein handelt es sich vorzugsweise um Casein oder Lactalbumin oder Sojaprotein.
Das aus Milch gewonnene Protein kann durch Ausfällen aus Milch in situ hergesteilt werden. Hierfür kann gemäß einer ersten Verfahrensführung die Milch im Gemisch mit Lab, anderen geeigneten Enzymen oder Säure unmittelbar als ausgeflocktes Gemisch in das Verfahren eingeführt oder das abgepresste ausgeflockte Eiweiß kann feucht verwendet werden. Gemäß einer anderen möglichen Verfahrensführung kann ein separat zuvor gewonnenes, ggf. aufbereitetes reines oder gemischtes Protein, d.h. eine Eiweißfraktion aus Milch eingesetzt werden, z.B. getrocknet als Pulver.
Die Eiweißfraktion kann auch durch Ultrafiltrieren oder durch Zellkulturen hergestellt werden. Zudem können die Milchproteine beispielsweise mit zusätzlichen Salzen wie Natrium und Kalium in weiteren Verarbeitungsschritten modifiziert werden, so dass ein Casein entsteht. Das erfindungsgemäß verwendete Milchprotein kann mit anderen Eiweißen in einem Anteil vorzugsweise bis 70 Gew.-% bezogen auf das Milchprotein vermischt werden. Hierfür kommen beispielsweise andere Albumine, wie Ovalbumin und pflanzliche Eiweiße, insbesondere Lupinenprotein, Sojaprotein oder Weizenproteine, insbesondere Gluten in Frage.
Die Mischung aus Lösungsmittel und Proteinen wird erwärmt, in der Regel unter Druckbedingungen und Scherung, um den Vernetzungsprozess zu beschleunigen. Chemische oder enzymatische Mittel können ebenfalls verwendet werden, um die Milchproteine zu destrukturieren und zu vernetzen, zu oxidieren oder zu derivatisieren, verethem, verseifen und verestern. Gewöhnlich werden Milchproteine durch Auflösen der Milchproteine in Wasser destrukturiert. Die Milchproteine sind vollständig destrukturiert, wenn keine Klumpen vorhanden sind, die das Polymerisieren beeinflussen.
Ein Weichmacher kann in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um die Milchproteine zu destrukturieren und zu ermöglichen, dass die Milchproteine fließen, d. h. thermoplastische Milchproteine zu erzeugen. Derselbe Weichmacher oder andere Weichmacher können verwendet werden, um die Schmelzverarbeitbarkeit zu erhöhen, oder es können zwei getrennte Weichmacher verwendet werden. Die Weichmacher können auch die Flexibilität der Endprodukte verbessern, wobei angenommen wird, dass dies auf der Senkung der Glasumwandlungstemperatur der Zusammensetzung durch den Weichmacher beruht. Die Weichmacher sind im Wesentlichen mit den polymeren Bestandteilen der vorliegenden Erfindung kompatibel, so dass die Weichmacher die Eigenschaften der Zusammensetzung wirksam modifizieren können. Wie hier verwendet, bedeutet der Ausdruck "im Wesentlichen kompatibel", dass der Weichmacher bei Erwärmung auf eine Temperatur über der Erweichungs- und/oder der Schmelztemperatur der Zusammensetzung in der Lage ist, eine im Wesentlichen homogene Mischung mit Milchproteinen zu bilden.
Das Plastifizierungsmittel ist bevorzugt Wasser, das in einem Anteil zwischen 20 und 80 % bezogen auf das Gewicht des Proteins, vorzugsweise in einem Anteil von etwa 40 bis 50 Gew.-% des Proteingehalts eingesetzt wird.
Anstelle des Wassers oder im Gemisch mit diesem können andere Plastifizierungsmittel, insbesondere Alkohole, Polyalkohole, Kohlehydrate in wässriger Lösung und insbesondere wässrige Polysaccharidlösungen eingesetzt werden.
Im Einzelnen sind folgende Plastifizierungsmittel und zugehörige Gewichtsanteile bevorzugt: -wasserstoffbrückenbildende, organische Verbindungen ohne Hydroxylgruppe, z.B. Harnstoff -und derivate, - tierische Proteine, z.B. Gelantine, - pflanzliche Proteine wie z.B. Baumwolle,-Sojabohnen,- und Sonnenblumenproteine, - Ester von erzeugenden Säuren, die biologisch abbaubar sind, z.B. Citronensäure, Adipinsäure, Stearinsäure, Ölsäure, -kohlenwasserstoffbasierende Säuren, z.B. Ethylenacrylsäure, Ethylenmaleinsäure, Butadienacrylsäure, Butadienmalernsäure, Propylenacrylsäure, Propylenmaleinsäure, -Zucker, z.B. Maltose, Lactose, Saccharose, Fructose, Maltodextrose, Glycerin, Pentaerythrit und Zuckeralkohole, z.B. Malit, Mannit, Sorbit, Xylit, - Polyole, z.B. Hexantriol, Glycole und dergleichen, auch Mischungen und Polymere, - Zuckeranhydride, z.B. Sorbitan, - Ester, wie z.B. Glycerinacetat,( mono,- di,-triacetat ) Dimethyl- und Diethylsuccinat und verwandte Ester, Glycerinpropionate,(mono,-di,- tripropionate) Butanoate, Stearate, Phthalatester. Dies sind nichteinschränkende Beispiele für Hydroxyl-weichmacher. Wichtige Einflussfaktoren sind die Affinität zu den Proteinen, die Proteinmenge und Molekulargewicht. Glycerin und Zuckeralkohole gehören zu den wichtigsten Weichmachern. Gewichtsanteile von Weichmachern sind z.B. 5% - 55%, können sich aber auch im Bereich von 2% - 75% bewegen. Beliebige Alkohole, Polyole, Ester und Polyester können in Gewichtsanteilen vorzugsweise bis 30% in der Polymermischung verwendet werden.
Von besonderer Bedeutung für die Polymermischung sind die Theologischen Eigenschaften, damit eine gute Verarbeitung möglich ist. Die Verfestigung unter Dehnfluss ist notwendig, um eine stabile Polymerstruktur zu bilden. Die Schmelztemperatur liegt meist in einem Temperaturbereich von 30°C bis 190°C. Darüber hinaus liegende Temperaturen sollten mit Verdünnungsmitteln und Weichmachern gesenkt werden.
Die biologische Abbaubarkeit der Polymere, d.h. ihre Zersetzung durch Lebewesen und deren Enzyme, ist eine bedeutende Eigenschaft der polymeren Milchprotein- Nanopartikel.
Zu den biologisch abbaubaren thermoplastischen Polymeren, die beispielsweise zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, gehören Milchsäurepolymere, Lactidpolymere, Glycolidpolymere, einschließlich ihrer Homo- und Copolymere und Mischungen davon; aliphatische Polyester zweibasiger Diolen/ Säuren; aliphatische Polyesteramide, aromatische Polyester, auch von modifizierten Polyethylenterephthalaten und Polybutylenterephthalaten; Polycaprolactone; aliphatische/aromatische Copolyester; Poly(3-hydroxyalkanoate),einschliesslich derer Copolymere und /oder andere -valerate, - hexanoate -und alkanoate, Polyester und Dialkanoylpolymere, Polyamide und Copolymere von Polyethylen/Vinylalkohoi.
Als biologisch abbaubares thermoplastisches Polymer für diese Erfindung sind weiterhin geeignet : Polyvinylalkohol und -copolymere, aliphatische Amid-und Estercopolymere , die aus Monomeren wie z.B. Dialkoholen ( 1 ,4-Butandiol, 1 ,3-Propandiol, 1 ,6-Hexandiol usw. ) oder Ethylen -und Diethylenglykol, Aliphatische Polyesteramide, ( aliphatischen Ester werden mit aliphatischen Amiden gebildet ) oder durch andere Umsetzungen, wie z.B. Milchsäure mit Diaminen und Dicarbonsäuredtchloriden, Diolen mit Carbonsäuren, Caprolacton und Caprolactam, oder Estervorpolymere mit Diisocyanate, Dicarbonsäuren, besonders Bernsteinsäure, Oxalsäure und Adipinsäure und deren Ester, Hydroxycarbonsäuren, Lactonen, Aminoalkoholen (z.B.Ethanolamin, Propanolamin ),cyciischen Lactamen.-Aminocarbonsäuren (z.B.Aminocapronsäure ), Dicarbonsäuren und Diaminen ( z.B. Salzmischungen von Dicarbonsäuren) und Mischungen davon. Polyester wie z.B. Oligoester können auch verwendet werden.
Polybutylensuccinat/-adipat-Copolymer; Polyalkylensuccinate; Polypentamethylsuccinate; Polyhexamethylsuccinate; Polyheptamethylsuccinate; Polyoctamethylsuccinate; Polyalkylenoxalate, wie Polyethylenoxalat und PolybutylenoxalatPolyalkylensuccinat- Copolymere, wie PolyethylensuccinatAadipat-Copolymer und; Polyalkylenoxalat- Copolymere wie Polybutylenoxalat/-succinat-Copolymer und Polybutylenoxalat/-adipat- Copolymer; Polybutylenoxalat/-succinat/-adipat-Terpolymere; und Mischungen davon sind nichteinschränkende Beispiele für aliphatischen Polyester von zweibasigen Säuren/Diolen, die z.B. aus Polymerisationen von Säuren und Alkoholen oder Ringöffnungsreaktionen hergestellt werden und für die Produktion eines Polymers geeignet sind.
Eine weitere Möglichkeit des Einsatzes bei der Herstellung von biologisch abbaubaren Polymeren haben aliphatische/aromatische Copolyester. Diese werden aus Dicarbonsäuren {-und Derivaten )wie Malon-, Bernstein-, Glutar-, Adipin-, Pimelin-, Azelain-, Sebacin-, Fumar-, 2,2-Dimethylglutar-, Suberin-, 1 ,3-Cyclopentandicarbon-, 1 ,4- Cyclohexandicarbon-, 1 ,3-Cyclohexandicarbon-, Diglycol-, Itacon-, Malein-, 2,5- Norbornandicarbon-, 1 ,4-Terephthal-, 1 ,3-Terephthal-, 2,6-Naphthoe-, 1 ,5- Naphthoesäure, esterbildende Derivate und Mischungen davon und Diolen, z.B. Ethylenglycol, Diethyienglycol, Triethylenglycol, Tetraethylenglycol, Propylenglycol, 1,3- Propandiol, 2,2-Dimethyl- 1 ,3 -propandiol, 1,3-Butandiol, 1 ,4-Butandiol, 1 ,5-Pentandiol, 1 ,6-Hexndiol, 2,2,4-Trimethyl-1,6-hexandiol, Thiodiethanol, 1 ,3-Cyclohexandimethanol, 1 ,4-Cyclohexandimethanol, 2,2,4,4-Tetramethyl-1 ,3-cyclobutandiol und Kombinationen davon, bei einer Kondensationsreaktion gebildet. Beispiele für solche aliphatischen/aromatischen Copolyester schließen Mischungen aus Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), Poly{tetramethylenglutarat-co-terephthalat), Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat), Poly(tetramethylenglutarat-co-terephthalat-co-diglycolat), Poly(ethylenglutarat-co- terephthalat), Poly(tetramethylenadipatco-terephthalat), eine 85/15-Mischung von Poly(tetramethylensuccinat-co-terephthalat), Poly(tetramethylen-co-ethylenglutarat-co- terephthalat), Poly(tetramethylen-co-ethylenglutaratco-terephthalat) ein.
Die Verarbeitbarkeit der Proteinmasse kann durch weitere Materialien modifiziert werden, um die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Proteinmasse aber auch des Endproduktes zu beeinflussen. Nichteinschränkende Beispiele schließen thermoplastische Polymere, Kristallisationsbeschleuniger oder -hemmer, Geruchsmaskierungsmittel, Vernetzungsmittel, Emulgatoren, Salze, Gleitmittel, Tenside, Cyclodextrine, Schmiermittel, andere optische Aufheller, Antioxidationsmittel, Verarbeitungshilfsmittel, Flammenhemmstoffe, Farbstoffe, Pigmente, Füllstoffe, Proteine und ihre Alkalisalze, Wachse, Klebeharze, Streckmittel und Mischungen davon ein. Diese Hilfsstoffe werden an die Proteinmatrix gebunden und beeinflussen diese in ihren Eigenschaften.
Der Schmelze können Salze hinzugefügt werden. Nichteinschränkende Beispiele für Salze schließen Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumsulfat, Ammoniumsulfat und Mischungen davon ein. Salze können die Löslichkeit des Proteins in Wasser beeinflussen, aber auch die mechanischen Eigenschaften. Salze können als Bindemittel zwischen den Proteinmolekülen dienen.
Gleitmittel hingegen können die Stabilität des Polymers beeinflussen. Diese können die Klebrigkeit des Polymers herabsetzen und den Reibungskoeffizienten verringern. Polyethylen wäre ein nicht einschränkendes Beispiel. Die physikalischen Eigenschaften der Polymermasse können durch weitere Proteine beeinflusst werden, diese umfassen ohne Einschränkung pflanzliche Proteine, wie Sonnenblumenprotein oder tierische, wie Gelatine. Wasserlösliche Polysaccharide und wasserlösliche synthetische Polymere, wie Polyacrylsäuren können die mechanischen Eigenschaften ebenfalls beeinflussen.
Monoglyceride und Diglyceride und Phosphatide, sowie andere tierische und pflanzliche Fette können die Fließeigenschaften des Biopolymers beeinflussen und begünstigen.
Anorganische Füllstoffe gehören ebenfalls zu den möglich Zusatzstoffen und können als Verarbeitungsmittel Verwendung finden. Mögliche Beispiele ohne den Einsatz zu beschränken sind Oxide, Silikate, Carbonate, Kalk, Ton, Kalkstein und Kieselgur und anorganische Salze. Stearatbasierte Salze und Kolophonium können zur Modifizierung der Proteinmischung eingesetzt werden.
Aminosäuren, die Bestandteile der Proteine und Peptide können der Polymermasse hinzugegeben werden, um besondere Faltblattstrukturen oder mechanische Eigenschaften zu verstärken. Ohne Einschränkung werden als Beispiele Glutaminsäure, Histidin, Trytophan usw. genannt.
Weitere Zusatzstoffe sind Enzyme, Tenside, Säuren, Serpine, sowie phenolische Pflanzenmoleküle, die als Vernetzer und zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, sowie zur Beständigkeit in Wasser und Proteasenbeständigkeit beitragen können.
Andere Zusatzstoffe können in Abhängigkeit von der jeweiligen Endanwendung des beabsichtigten Produkts wünschenswert sein. Beispielsweise ist in den meisten Produkten Nassfestigkeit eine notwendige Eigenschaft. Daher ist es erforderlich, nassfeste Harze als Vernetzungsmittel dazuzugeben.
Auch weitere natürliche Polymere können als Zusatzstoffe hinzugefügt werden. Mögliche Beispiele für natürliche Polymere, ohne die Auswahl zu beschränken, wären Albumine, Sojaprotein, Zeinprotein, Chitosan und Cellulose.-Polylactid" und "PLA" die in einer Menge von 0,1% - 80% verwendet werden können. Neben natürlichen Polymeren können auch andere synthetische Polymere, wie unter anderem Polyvenylalkohoi, sowie Polyesther, bzw. Ether, wie Polyethylenglycol, Aldeyhde, wie Glutaraldehyd und Acrylsäuren eingesetzt werden.
Dazu zählen auch nicht abbaubare Polymere, die in Abhängikeit der Endanwendung des Kunststoffes eingesetzt werden. Dazu zählen thermoplastische Kunststoffe, die zur Co Polymerisation eingesetzt werden können, wie - ohne einschränkend zu wirken: Polypropylen, Polyethylen, Polyamide, Polyester und Copolymere daraus. Andere hochmolekulare Polymere sind ebenfalls möglich.
Kohlenhydrate und Polysaccharide, sowie auch Amylosen, Oligosaccharide und Chenodesoxycholsäuren können als weitere Hilfs- und Zusatzstoffe eingesetzt werden.
Als zusätzliche Vernetzer können auch Salze, Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Carbonate, als auch deren Anhydride, Salze und Ester eingesetzt werden. Hydroxyde, Butylester, sowie aliphatische Kohlenwasserstoffe sind weitere Möglichkeiten, die Moleküle untereinander zu vernetzen und Makromoleküle zu bilden.
Der Zusatz weiterer Stoffe wird nicht ausgeschlossen. Speziell können Zusatz- und Hilfsstoffe, wie lipophile, hydrophobe, hydrophile hydroskopische Zusätze, Glanzgeber und Vernetzer vorgesehen sein. Die Zusatz- und Hilfsstoffe sollten insgesamt einen Gewichtsanteil von maximal ca. 30 Gew.-% bezogen auf das Protein nicht übersteigen. Als lipophile Zusätze können Pflanzenöle, Alkohole, Fette und gewählt werden, die die Polymermasse bereits während des Plastifizierens leicht hydrophobieren. Weiterhin können Wachse und Fette verwendet werden, die der Polymermasse zusätzlich Festigkeit verleihen. Als Wachse werden bevorzugt Carnaubawachs, Bienenwachs, Candelillawachs und andere natürlich gewonnene Wachse.
Nach der Bildung der Nanopartikel können die Nanopartikel weiter behandelt werden, oder der gebundene Stoff kann behandelt werden. Eine hydrophile oder hydrophobe Oberflächenbehandlung kann hinzugefügt werden, um die Oberflächenenergie und die chemische Beschaffenheit des Stoffs einzustellen. Beispielsweise können hydrophobe Nanopartikel oder das Polymer mit Benetzungsmitteln behandelt werden, um die Absorption von wässrigen Flüssigkeiten zu erleichtern. Ein gebundener Stoff kann auch mit einer topischen Lösung behandelt werden, die Tenside, Pigmente, Gleitmittel, Salz, Enzyme oder andere Materialien enthält, um die Oberflächeneigenschaften der MP- Nanopartikel oder der Polymermasse weiter einzustellen.
Damit die Milchprotein-Nanopartikel oder deren Polymermasse den erhöhten Anforderungen an verbesserte Eigenschaften für einen bestimmten Zweck entsprechen, werden sie neben den bisher bekannten und beschriebenen Herstellungsverfahren vorzugsweise in einem Bottom Up- oder Top Down -Verfahren mit der erforderlichen Viskosiät hergestellt. Dies dient der Erhöhung der Produktivität. Die Polymermasse wird nach dem aus der Literatur und dem Fachmann bekannten kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Verfahren hergestellt, vorzugsweise durch Mischen oder Extrudieren einer Vormischung unter Zusatz von Additiven oder das Anmischen der Polymermasse durch Zudosierung der Grundstoffe und Additive während des Mischens oder Extrudierens.
Das Verfahren, bei dem Wasser als Lösungs- und Plastifizierungsmittel eingesetzt wird, verhindert jegliche arbeitsrechtliche, toxikologische -und zulassungsrechtliche Schwierigkeiten.
Aufgrund der Plastifizierung entspricht die Polymermasse einem Polymer, bei dem die Materialien durch Erwärmung in einen plastischen Zustand überführt und auf diese Weise verformt werden. Die Temperatur überschreitet dabei die Glasübergangstemperatur des Proteins, so dass dieses vom amorphen in den gummiartig plastischen Zustand übergeht.
Nach dem Austritt der Polymermasse, z.B. aus dem Extruder, kann diese unmittelbar weiter verarbeitet werden, vorzugsweise zu Nanopartikeln im Top Down-Verfahren.
Die Polymermasse kann alternativ nach Austritt aus der Düse unmittelbar oder in wenigstens einem späteren Verarbeitungsschritt zu Nanopartikeln weiterverarbeitet werden.
In Weiterentwicklung der Erfindung kann die Polymermasse außerdem vor dem Aushärten ein Bad durchlaufen, wobei diese Verfahrensweise nicht besonders bevorzugt und in der Regel nicht erforderlich ist. Alternativ kann die Polymermasse nach dem Austritt aus der Düse einer Sprühbehandlung unterzogen werden. Hierbei können beispielweise Glättungsmittel, Wachse, Lipophile oder Vernetzer auf die Oberfläche der Polymermasse aufgebracht werden. Im Falle von Vernetzern sind folgende bevorzugt, also allgemein verschiedene Salzlösungen, bevorzugt Calciumchloridlösung, Dialdehydstärkelösung, oder wässrige Milchsäure. Alternativ oder zusätzlich können die Nanopartikei oder das Polymer einer Gasbehandlung oder einer Eisbehandlung oder einer Trockungs- und Anblasbehandlung oder einer lonenbehandlung oder einer UV- Behandlung oder einer Enzymbehandlung, sowie einer Renaturierung durch Salze oder Veresterung, Veretherung, Verseifung oder einer weiteren Vernetzung, sowie einem Nadelungs -und Wasserstrahlverfestigungsverfahren und dem Kaladrieren usw. unterzogen werden.
Die erhaltenen Nanopartikei und die daraus hergestellten Produkte können für alle erdenklichen Zwecke verwendet werden. Sie können daher für alle Arten von medizinischen Biomaterialien, für den Kosmetikbereich, als Hautpflegeprodukte , z.B. auch mit UV-Schutz, Abdeckmaterialien, Lebensmittelbranche, Industriesubstanzen, Medizintechnik, usw. eingesetzt werden, Polymere MP-Nanopartikel lassen sich auch in den Bereichen Textilien und Papierherstellung sinnvoll zum Einsatz bringen.
Die aus mehreren Bestandteilen bestehenden Nanopartikei der vorliegenden Erfindung können in vielen verschiedenen Konfigurationen vorliegen. Bestandteil, wie hier verwendet, bedeutet definitionsgemäß die chemische Stoffspezies oder das Material. Nanopartikei können eine Monokomponenten- oder Mehrkomponentenkonfiguration aufweisen. Komponente, wie hier verwendet, ist definiert als ein separater Teil der Nanopartikei, der in einer räumlichen Beziehung zu einem anderen Teil der Nanopartikei steht. Die erhaltenen Nanopartikei können wiederum auf eine Matrix aufgebracht werden.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen unter anderem darin, dass bei der Herstellung von erfindungsgemäßen Nanopartikeln die Reduzierung von gesundheitlich bedenklichen und umweltschädüchen Stoffen während des Verfahrens und an den Nanopartikeln selbst ermöglicht wird. Zudem sind die Nanopartikei biologisch abbaubar.
Außerdem können erhebliche Ressourcen an Energie, Wasser, Zeit und Manpower eingespart werden, was den Umweltschutz erhöht und die Wirtschaftlichkeit verbessert. Die besonders vorteilhaften Eigenschaften der Milchproteinnanopartikel werden auf festigende Strukturveränderungen (Textiärstruktur) während des Plastifizierens zurückgeführt. Die Partikel im Nanobereich, vorzugsweise mit einem Durchmesser von 80 - 500 Nanometer werden bevorzugt mit einem Top Down oder Bottom- Up Verfahren hergestellt, um eine höchstmögliche Produktivität zu ermöglichen. Alle dem Fachmann und aus der Literatur bekannten Herstellungsverfahren für beschriebene Nanopartikel sind ohne Ausnahme möglich. Erfindungswesentlich ist die Herstellung eines homogen plastifizierten Polymers, vorzugsweise eines biogenen Biopolymers, welches vorzugsweise biologisch abbaubar ist. Leider konnten auf dieser Basis bis heute keine Nanopartikel entwickelt werden, die wasserbeständig und hinreichend Proteasen- säure- und laugen-beständig sind. Bevorzugt soll die Verwendung erdölbasierender Rohstoffe und oder organischer Lösungsmittel, besonders bei Nanopartikeln mit Lebensmittelkontakt oder gar als medizintechnische Produkte, als Hygiene-oder Babyartikel, um nur einige Beispiele zu nennen, reduziert oder sogar ausgeschlossen werden.
Die Herstellung von Nanopartikeln , die vorzugsweise aus nachwachsenden Rohstoffen, mit einem Anteil von Milchproteinen hergestellt werden und mit Eigenschaften wie Wasserbeständigkeit, ausreichende mechanische Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Zerreißfestigkeit, elastisch, antibakteriell und biologisch abbaubar sind, sowie die Möglichkeit besteht, durch Veränderung der Rohstoffzugaben entsprechen den Anforderungen des Verwendungszweckes, die Eigenschaften der Proteinnanopartikel zu beeinflussen.
Beispiele
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Das Ausführungsbeispiel dient allein illustrativen Zwecken und soll die Erfindung nicht beschränken. Der Fachmann kann anhand dieses Ausführungsbeispiels und mit Hilfe seines Fachwissens weitere Ausführungsmöglichkeiten durch Variation der Parameter auffinden.
Beispiel 1 : Herstellung einer Milchprotein-Polymermasse. Die Extrusion erfolgt mit einem Zweischneckenextruder Typ 30 E der Fa. Dr. Collin mit einem Durchmesser von 30 mm. Die Herstellung der Nanopartikel erfolgt, indem die extrudierte Polymermasse anschließend extrudiert durch Hochenergie-Kugelmühlen zu Nanopartikeln pulverisiert wird. Die Heizung erfolgt über 4 Zylinderheizzonen mit folgendem Temperaturablauf 65 °C, 74 °C, 75 °C, 60°C:
Das Caseinpulver wird über eine Rüttelrinne aufgegeben. Über eine Schlauchpumpe erfolgt die Zugabe von Wasser. Durch weitere Dosierungeinrichtungen werden die Additive zugegeben. Die Polymermasse wird über ein Top Down Verfahren z.B. ein Laserabtragungsverfahren zu Nanopartikeln verarbeitet. Zum Beispiel können die Nanopartikel einen Durchmesser von 80 nm besitzen.
Der Ablauf des alternativen Extrusionsverfahrens, bei welchem die Polymermasse zu Nanopartikeln verarbeitet wird, wird zusätzlich durch Figur 1 verdeutlicht.
Über eine Dosiereinrichtung 1 werden die Rohstoffe in den Extruder zudosiert und die Polymermasse angemischt. Nach Durchlaufen einer Düse 3 und einer Einrichtung 4 zur Infrarotbestrahlung und Anblasung gelangt die Polymermasse in eine Mahleinrichtung 5, wo sie wahlweise mit unterschiedlichen Mahlgraden gemahlen wird.
Bezugszeichenliste:
1 Dosiereinrichtung
2 Extruder
3 Düse
4 Einrichtung zur Infrarotbestrahlung/Anblasung
5 Mahleinrichtung

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Milchprotein-Nanopartikeln gebildet aus mindestens einem homogenen Polymer auf der Basis von aus Milch gewonnenen Proteinen, die unter Zuführung von Wärme und eines Plastifizierungsmittels plastifiziert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung mittels eines Top Down- oder Botton Up-Verfahrens erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel aus biogenen und nachwachsenden Rohstoffen hergestellt werden und biologisch abbaubar sind.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Nanopartikel kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermischung vor Herstellung der Nanopartikel durch einen kontinuierlichen oder diskontinuerlichen Prozess unter mechanischer Beanspruchung plastifiziert wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Milchprotein-Nanopartikel wasserbeständig, gesundheitlich unbedenklich und biologisch abbaubar sind.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein aus Milch gewonnenes Protein gemeinsam mit einem Plastifizierungsmittel unter mechanischer Beanspruchung plastifiziert wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plastifizieren bei Temperaturen bis 140 °C stattfindet.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das aus Milch gewonnene Protein entweder durch Ausfällen aus Milch in situ hergestellt wird oder in Form eines zuvor separat gewonnenen und ggf. aufbereiteten Proteins oder einer Eiweißfraktion eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Milch gewonnenen Proteine aus Bakterien gewonnen werden.
11. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Milch gewonnenen Proteine durch Gasbehandlung oder Filtration gewonnen werden.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Milch gewonnenen Proteine, insbesondere Casein, Lactalbumin oder Sojaeiweiß, aus Ziegenmilch, Schafsmilch, Kuhmilch oder Sojamilch gewonnen werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plastifizierungsmittel ausgewählt ist aus der Gruppe: Wasser, wässrige Kohlenhydratlösung und insbesondere wässrige Polysaccharide, Oligosaccharide, Proteine, Alkohol, Polyalkohol, Fette, Säuren, Aminosäure, Peptide, Salze, Kationen, Enzyme oder Mischungen dieser Mittel, sowie deren Oxidation.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem zu plastifizierenden Ausgangsstoff weitere Zusatz- und Hilfsstoffe zugefügt werden, wahlweise durch Zumischen vor oder während des Plastifizierens.
15. Verfahren nach einem der vorgehergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nanopartikel oder das Polymer getrocknet und nachbehandelt werden, indem sie ein Bad durchlaufen oder einer Sprühbehandlung oder einer Gasbehandlung oder einer Eisbehandlung oder einer Trockungs- und Anblasbehandlung oder einer lonenbehandlung oder einer UV- Behandlung, Nadelungs- und Wasserstrahlverfestigungsbehandlung, Infrarotbehandlung oder einer Enzymbehandlung, sowie einer Renaturierung durch Salze oder Alkohole, Ester und Ether Veresterung, Veretherung oder Verseifung oder einer weiteren Vernetzung unterzogen werden.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Carbonsäuren, Dicarbonsäuren und Carbonate, sowie deren Salze, Ester und Fettsäuren für die Polymermischung verwendet werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermasse oder Nanopartikel während oder nach dem Prozess durch chemische oder enzymatische Mittel destrukturiert, oxidiert oder derivatisiert, verethert, verestert oder verseift werden.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Polymermischung Aminosäuren zugefügt werden.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermasse mit Proteaseninhibitoren, vorzugsweise Enzymen, Tensiden, Säuren, Serpinen, phenolischen Molekülen aus Pflanzen und/oder Polysacchariden versetzt oder nachbehandelt wird.
20. Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aliphatische Ester und alipathische Amidcopolymere, vorzugsweise biologisch abbaubar, der Polymermischung zugefügt werden.
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