ES2248349T3 - Gel constituido por un poli-alfa-1,4-glucano y almidon. - Google Patents

Abstract

Gel que comprende una poli-á-1, 4-glucano, que pre senta un grado de ramificación de = 10-3, así como un agente hinchante y almidón.

Description

Gel constituido por un poli-\alpha-1,4-glucano y almidón.

La presente invención se refiere a un gel basado en un poli-\alpha-1,4-glucano y almidón así como a un procedimiento para la obtención de un gel de este tipo y a su utilización.

Se denominan geles las microfases elásticas en estado hinchado. La microfase elástica se forma por lixiviación (percolación) de elementos estructurales, que pueden tener dimensiones moleculares y supermoleculares y forman una red en el espacio.

La formación del gel puede tener lugar por un proceso espinoidal o por un proceso de crecimiento. En el caso de la lixiviación se realiza previamente un proceso de ramificación.

En los geles puede almacenarse energía mecánica.

Si esta energía mecánica se introduce por vibración-cizallamiento, entonces la función de respuesta del gel puede describirse con el módulo de cizallamiento complejo, dependiente de la frecuencia. La porción real de este módulo - del módulo de almacenaje - describe las propiedades mecánicas de la red, la porción imaginaria describe la fluidez viscosa y, por tanto, la disipación de la energía aplicada a la fase del medio de hinchamiento.

En el equilibrio, el estado de hinchamiento - el hinchamiento del gel - viene dado con ventaja por la fracción volumétrica de la red.

Según Flory & Barrett, véase Disc. Farad. Soc. 57, 1 (1974), cabe distinguir entre cuatro tipos de geles:

1. estructuras laminares ordenadas constituidas por mesofases o por fases silicáticas;

2. redes macromoleculares covalentes desordenadas de polímeros lineales o ramificados;

3. redes macromoleculares con puntos de reticulación ordenados y tramos desordenados que unen a los anteriores y

4. estructuras desordenadas de partículas, floculados o coacervados muy anisótropos.

Son conocidos los geles constituidos por gelatina, de ácido silícico, de montmorillonita, de bentonitas, de polisacáridos, de pectinas, entre otros como gelificantes y un líquido, normalmente el agua, que actúa como dispersante o como hinchante.

Entre ellos se utilizan en especial las gelatinas, por ejemplo en la industria alimentaria y de bebidas para la fabricación entre otros de carne en gelatina, platos en jalea, pudines (flanes), helados y yogurts, o bien para la clarificación de vinos y zumos de frutas; en farmacia y medicina para la fabricación de cápsulas duras y blandas, de supositorios, como aglutinantes para tabletas, como estabilizadores para emulsiones y nivelantes de plasma sanguíneo; en cosmética, como componentes de ungüentos, pastas y cremas; para el microencapsulado de soluciones de colorantes para papeles de copia modernos.

La gelatina es un polipéptido que se obtiene principalmente por hidrólisis del colágeno existente en la piel y en los huesos de los animales.

En el curso de la problemática de las encefalopatías espongiformes transmisibles (enfermedad de Creuzfeld-Jakob, encefalopatía espongiforme bovina, "scrapie") y a raíz del debate sobre alternativas vegetarianas de los geles o formas de administración que contienen gelatina y que cumplan las exigencias "koscher" o "hlal", ha surgido la demanda de productos alternativos que puedan fabricarse sin tener que recurrir a proteínas animales, o bien que pueden obtenerse a partir de materiales primas que no se basen en fuentes animales.

Por la bibliografía técnica se conocen numerosos ejemplos que parten de geles o de estructuras reticuladas basadas en hidratos de carbono. Por ejemplo, Yamada, Watei & Wakao describen en el documento JP 030986038 un procedimiento para la fabricación de cápsulas formadas por una mezcla de celulosa y almidón para la aplicación en alimentos y en productos farmacéuticos.

En el documento WO 92/09274 se propone la sustitución parcial de la gelatina por almidones enriquecidos en amilosa para la fabricación de cápsulas.

En la solicitud US 5 342 626 se describe la fabricación de láminas de carragenos, gelanos y mananos. Los costes de fabricación de estos geles y estructuras reticuladas así como los inconvenientes de sus propiedades mecánicas plantean muchos obstáculos a una aplicación amplia de los mismos.

En el sector técnico se sabe además que los almidones y mezclas de almidones con otros componentes pueden utilizarse para la fabricación de materiales termoplásticos. Estos se han publicado por ejemplo en los documentos EP 397 819, EP 542 155, WO 99/02660, WO 99/02595, WO 99/02040. A diferencia de los materiales termoplásticos, que por aumento de la temperatura pasan sin transición al estado fundido, los geles descritos en la presente cuando sufren un aumento de temperatura que los sitúa entre la temperatura de transición vítrea y la temperatura de fusión, presentan un amplio intervalo de temperaturas en el que tienen un comportamiento elástico de tipo goma. En este intervalo, los geles no fluyen. El comportamiento del módulo de cizallamiento frente a la temperatura tiene un curso escalonado en estos geles cuando se hallan en este intervalo elástico de tipo goma, a diferencia de lo que ocurre con los termoplásticos.

El almidón nativo consta entre otras de amilosa y amilopectina; tanto la amilosa nativa como el almidón desramificado presentan un grado de ramificación que es > 0, a diferencia de lo que se lee en los manuales (véase p.ej. Hizukuri, S., Carbohydrate Research 94, 205-213, 1981; Praznik, W., Starch/Stärke 46, 3, 88-94, 1994; Cheng-Yi, L., Proc. Natl. Sci. Counc. vol. 11, n 4, 341-345, 1987).

En vista de este estado actual de la técnica, el objetivo de la presente invención consiste, pues, en desarrollar una alternativa de base vegetal a la gelatina.

Por otro lado, los geles de la invención debería tener una buena transformación o procesado en las máquinas de "alto rendimiento" del estado de la técnica y tener propiedades mecánicas suficientes para la transformación posterior en películas, cápsulas, láminas, monofilamentos o fibras así como en sistemas de liberación retardada.

Estos objetivos y otros no mencionados explícitamente, pero que se deducen o intuyen fácilmente del contexto referido en la introducción, se alcanzan con el objeto de la reivindicación 1 de la patente. Las variantes oportunas del procedimiento de la invención se reivindican en las reivindicaciones secundarias, referidas a la reivindicación 1.

Un objeto de la presente invención es, pues, un medio gelificante basado en el poli-\alpha-1,4-glucano y almidón, que puede dar lugar a un gel por adición de un agente hinchante o bien de un disolvente idóneo.

La presente invención se refiere además a un gel basado en el poli-\alpha-1,4-glucano y almidón, a su fabricación y a su utilización.

De modo sorprendente, los inventores nombrados antes han encontrado que partiendo de una mezcla de poli-\alpha-1,4-glucano lineal insoluble en agua, con una porción cristalina elevada, y eventualmente almidón y un agente hinchante es posible la obtención de geles/estructuras reticuladas muy estables y fáciles de transformar y de manipular.

Los geles de la invención de poli-\alpha-1,4-glucano y eventualmente almidón son similares en su estructura y constitución a los geles de gelatina/agua y a los geles de poli(cloruro de vinilo)/plastificante, tal como describe I. Tomka en el "Estado de la investigación de las gelatinas fotográficas", Chimia 30, 354, 1976 y K. Te Nijenhuis (tesis doctoral, Delft, 1979).

En estos 3 sistemas, los tramos desordenados unen los puntos de reticulación ordenados (véase gel tipo 3, según Flory, lugar citado).

Los puntos de reticulación de los geles de la invención surgen por cristalización del poli-\alpha-1,4-glucano, eventualmente en co-cristalización con una porción de moléculas de almidón; el almidón no cristalizado forma los tramos desordenados.

Los poli-\alpha-1,4-glucanos son polisacáridos lineales, que se componen de monómeros de glucosa, los últimos constituyen el armazón del polímero después de formar enlaces \alpha-1,4-glicosídicos. El poli-\alpha-1,4-glucano más abundante de origen natural es la amilosa, que junto con la amilopectina, más ramificada, constituye la sustancia fundamental del almidón vegetal.

El poli-\alpha-1,4-glucano (nombrado a continuación poliglucano o PG) y el almidón tienen en común la gran ventaja de no ser tóxicos y de poder biodegradarse. Gracias a estas propiedades ventajosas son idóneos en principio para la aplicación en el sector alimentario y también en farmacia y medicina.

Según la invención, los poliglucanos naturales tienen un grado de ramificación de \leq 10^{-3} y con preferencia muy es-
pecial de \leq 10^{-4}. Son preferidos del modo más especial los poliglucanos que tienen un grado de ramificación de \leq 10^{-6}.

Se entiende por grado de ramificación la relación entre el número de moles de las unidades 1,4,6-\alpha-D-glucano y el número de moles de las unidades 1,4-\alpha-D-glucano.

Para la invención son especialmente indicados los poliglucanos que no presentan ramificación alguna, o bien que su grado de ramificación es tan pequeño que ya no resulta detectable.

Para la presente invención, el prefijo "alfa" se refiere únicamente a los enlaces que se forman sobre el armazón del polímero, pero no sobre las ramificaciones.

El poliglucano lineal que se utiliza con preferencia según la invención es insoluble en agua; según la invención se entiende por el término "poliglucano insoluble en agua" aquellos compuestos que según la Farmacopea Alemana (DAB = Deutsches Arzneimittelbuch, editorial Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft mbH, Stuttgart, editorial Govi-Verlag, Frankfurt, edición de 1987) se incluyen dentro de clases de 5 a 7 dentro de las categorías siguientes: "difícilmente solubles", "muy difícilmente solubles" y "prácticamente insolubles".

En el caso de los poliglucanos empleados con preferencia según la invención, esto significa que por lo menos el 99,5% es insoluble en agua en condiciones normales (T = 25ºC \pm 20%, p = 101325 Pascal \pm 20%) (equivalente a la clase 5).

Para la presente invención son preferidos en particular los compuestos entre difícilmente solubles y prácticamente insolubles, en especial los compuestos entre muy difícilmente solubles y prácticamente insolubles.

"Muy difícilmente soluble", equivalente a la clase 6, puede ilustrarse mediante la siguiente descripción experimental:

Se calienta a 130ºC en una presión de 1 bar un gramo del poliglucano a estudiar en 1 l de agua desionizada. La solución resultante permanece estable por poco tiempo, durante unos pocos minutos. Cuando se enfría en condiciones normales, la sustancia vuelve a precipitar. Después de enfriar a temperatura ambiente y separar el precipitado por centrifugación puede recuperarse por lo menos un 66% de la cantidad utilizada, tomando en consideración las pérdidas experimentales.

El poliglucano lineal que puede utilizarse con preferencia según la invención posee además una distribución de pesos moleculares o una polidispersidad (definida como la relación entre la masa molecular ponderal y numérica M_{w}/M_{n}) que varían en función del proceso de fabricación del poliglucano. Los valores preferidos se sitúan entre 1,01 y 50, en especial entre 1,01 y 15.

Para los fines de la presente invención son preferidos de forma muy especial los poliglucanos de una polidispersidad comprendida entre 1,01 y 5. Más preferidos son los poliglucanos de una polidispersidad entre 1,01 y 2,5. Los más preferidos son los poliglucanos de una polidispersidad entre 1,01 y 2.

Los poliglucanos empleados con arreglo a la invención pueden ser de cualquier origen, suponiendo que cumplan las condiciones recién indicadas en lo referente al concepto de "lineal" y con preferencia además al concepto de "insoluble en agua" y de "polidispersidad".

Pueden obtenerse por medios naturales o biotécnicos.

Pueden obtenerse por ejemplo a partir de fuentes vegetales o animales naturales por aislamiento y/o purificación.

Puede recurrirse además a fuentes que se hayan manipulado por ingeniería genética de tal manera que tengan una porción mayor de poliglucanos no ramificados o relativamente poco ramificados si se comparan con los procedentes de fuentes no manipuladas.

Pueden obtenerse por desramificación enzimática o química a partir de poliglucanos no lineales.

Los métodos biotécnicos abarcan los procesos biocatalíticos, incluso biotransformatorios o fermentativos.

Pueden utilizarse además poliglucanos modificados, en este caso los poliglucanos pueden haberse modificado por ejemplo químicamente por esterificación y/o eterificación de una o varias posiciones que no participen en una unión lineal. En el caso de los poliglucanos preferidos, unidos en las posiciones 1,4, la modificación puede tener lugar en las posiciones 2, 3 y/o 6.

En el sentido de la invención, "modificación" significa que los grupos hidroxilo existentes, que no participan en la unión, pueden alterarse químicamente. Esto excluye por ejemplo la abertura del anillo de las unidades glucano, como pudiera ocurrir por carboxilación oxidante o por hidrólisis. Los expertos en la materia conocen suficientemente las medidas a adoptar para realizar semejantes modificaciones.

Según la invención se utiliza con preferencia un poli-\alpha-1,4-glucano que puede obtenerse o bien aislarse por ejemplo con arreglo al procedimiento descrito en el WO 95/31553.

La obtención descrita allí se realiza por vía enzimática con una proteína de la eficacia de la amilosucrasa.

Otras proteínas idóneas para la obtención del poli-\alpha-1,4-glucano son las fosforilasas, glucogenosintasas, glucanotransferasas y las sintasas del almidón.

La obtención puede tener lugar a través de métodos "in vivo" recurriendo eventualmente a seres vivos modificados genéticamente, como son bacterias, hongos o algas u otras plantas superiores, que contengan las proteínas mencionadas anteriormente.

El poliglucano empleado en la invención presenta con preferencia un grado de polimerización por lo menos de 30, en especial comprendido en un intervalo de 40 a 300 y con preferencia especial entre 50 y 100.

Un poliglucano de este grado de polimerización, que puede obtenerse también por ejemplo según el procedimiento anterior con arreglo a WO 95/31553, posee una tendencia notable a formar una conformación regular. Se trata de una morfología molecular de doble hélice, con una porción cristalina elevada, que puede detectarse mediante espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) y difracción de rayos X.

En base a las observaciones realizadas se pueden sacar las siguientes conclusiones:

La modificación de la estructura cristalina después de una transformación térmica es similar a la del almidón de las patatas, pero la cinética de la transformación es más rápida que en el caso del almidón de las patatas.

La formación de complejos moleculares con componentes mixtos idóneos de bajo peso molecular, como son los ácidos grasos, está asociada con una transformación conformacional parcial en estructura monohélice V, que ya se co-
noce en la amilosa. Se produce además una formación parcial de una estructura secundaria no identificada y, por tanto, no conocida. La capacidad de formación de complejos es aproximadamente tres veces mayor que la de la amilosa.

Estos poliglucanos empleados con preferencia según la invención combinan la capacidad de los dos componentes del almidón, la amilosa y la amilopectina, por la manera en la que pueden formarse opcionalmente las características conformacionales regulares que caracterizan a los dos componentes.

Con otras palabras, los poliglucanos empleados con preferencia según la invención, combinan de modo ventajoso la buena aptitud para la transformación de almidón degradado y las propiedades deseadas del almidón cristalino.

Presentan una tendencia marcada a la cristalización y una cristalinidad elevada.

El componente almidón del gel de la invención puede ser un almidón cualquiera o una mezcla de dos o más almidones, uno o varios de sus derivados o mezclas de almidón y derivados de almidón.

Los ejemplos idóneos de almidón son el almidón de las patatas, la tapioca, la mandioca, el arroz, el trigo o el maíz. Otros ejemplos son los almidones de arruruz, de boniato, de centeno, de cebada, de mijo, de avena, de sorgo, los almidones de frutas, por ejemplo de castaña, de bellota, de alubia, de guisantes y otras frutas de vaina, de plátanos, así como pulpa de plantas, por ejemplo la palma de sagú.

Con otras palabras, la relación entre la amilosa y la amilopectina puede situarse en estos almidones tanto en \geq 0,5 como también en \geq 0,5.

El almidón puede someterse a un tratamiento previo de tipo hidrotérmico y/o de tipo mecánico.

Además de los almidones de origen vegetal pueden utilizarse también almidones modificados químicamente, obtenidos por fermentación, que son de origen recombinante o que se obtienen por biotransformación o bien por biocatálisis.

Según la invención se entiende por "almidones modificados químicamente" aquellos almidones, en los que por vía química se alteran las propiedades con respecto a las propiedades naturales. Esto se logra fundamentalmente por reacciones similares a las de los polímeros, en las que se trata el almidón con reactivos mono-, bi- o polifuncionales o con oxidantes. En estas reacciones se transforman con preferencia los grupos hidroxi de los poliglucanos del almidón por eterificación, esterificación u oxidación selectiva o bien la modificación se basa en una copolimerización de injerto sobre el esqueleto del almidón iniciada con radicales de los monómeros insaturados copolimerizables.

Pertenecen a los almidones especiales modificados químicamente entre otros los ésteres de almidón, como son los xantogenatos, los acetatos, los fosfatos, los sulfatos, los nitratos, los éteres de almidón, por ejemplo los éteres de almidón no iónicos, aniónicos o catiónicos, los almidones oxidados, por ejemplo los dialdehído-almidones, los carboxi-almidones, los almidones degradados con persulfato y sustancias similares.

Las modificaciones químicas preferidas abarcan la hidroxipropilación, la acetilación y la etilación.

Los "almidones de fermentación" son en el sentido de la presente invención los almidones que se obtienen por procesos de fermentación empleando organismos de origen natural, como son los hongos, las algas y las bacterias, o bien los que pueden obtenerse con intervención y colaboración de procesos fermentativos. Son ejemplos de almidones procedentes de procesos fermentativos entre otros la goma arábiga y los polisacáridos afines (goma gelano, goma gati, goma caraya, goma tragacanto), el xantano, el emulsano, el ramsano, el wellano, el esquizofilano, los poligalacturonatos, la laminarina, la amilosa, la amilopectina y las pectinas.

Los "almidones de origen recombinante" o "almidones recombinantes" son en particular almidones que se obtienen en procesos fermentativos empleando organismos que no existen en la naturaleza, pero recurriendo a organismos naturales modificados con métodos de ingeniería genética, por ejemplo hongos, algas o bacterias o bien que pueden obtenerse por aplicación y recurso a procesos fermentativos. Son ejemplos de almidones obtenidos por procesos fermentativos modificados por ingeniería genética, entre otros, la amilosa, la amilopectina y otros poliglucanos.

"Almidones obtenidos por biotransformación" significa en el marco de la invención que los almidones, la amilosa, la amilopectina y el poliglucano se obtienen por reacción catalítica de componentes básicos monómeros, en general sacáridos oligómeros, en especial mono- o disacáridos, para ello se emplea un biocatalizador (también: enzima) en condiciones especiales. Son ejemplos de almidones de procesos biocatalíticos entre otros el poliglucano y los poliglucanos modificados, el polifructano y los polifructanos modificados.

Según la invención, los términos "derivados de almidones" o "derivados de almidón" significan muy en general almidones modificados, es decir, aquellos almidones en los que por alteración de sus propiedades se cambia la relación natural entre amilosa y amilopectina, se realiza un preengrudado, se someten a una degradación hidrolítica parcial o se derivatizan químicamente.

Pertenecen a los derivados especiales entre otros los almidones oxidados, por ejemplo los dialdehído-almidones o los diversos productos de oxidación con grupos funcionales carboxilo, o los almidones nativos iónicos (provistos por ejemplo de grupos fosfato) o los almidones iónicos que se han modificado ulteriormente, incluyendo en esta expresión tanto las modificaciones aniónicas como las catiónicas.

Además de los componentes que actúan como gelificantes, el gel de la invención contiene un plastificante o disolvente, o incluso mezclas, que actúan como hinchante.

Son ejemplos de agentes hinchantes idóneos el agua, los polialcoholes, por ejemplo el etilenglicol, la glicerina, el propanodiol, la eritrita, la manita, la sorbita, los ácidos alcanoicos polifuncionales, por ejemplo el ácido maleico, el ácido succínico, el ácido adípico, los ácidos hidroxialcanoicos polifuncionales, por ejemplo el ácido láctico, el ácido 2-hidroxibutírico, el ácido cítrico, el ácido málico, el sulfóxido de dimetilo, la urea u otros disolventes de almidones.

La proporción entre poliglucano y almidón en el gel o en el agente gelificante básico se sitúa con preferencia entre 0,01 y 1, en especial entre 0,01 y 0,60 y con preferencia especial entre 0,01 y 0,50, con preferencia muy especial entre 0,01 y 0,40 y con preferencia máxima entre 0,01 y 0,30.

La proporción entre la porción ponderal de poliglucano y de almidón frente al agente hinchante se sitúa en general entre 0,01 y 0,6.

En función de cada componente concreto que se utilice o del caso particular de aplicación, estos valores pueden variar hacia arriba o hacia abajo.

Sin embargo, la porción ponderal de poliglucano no debería ser demasiado baja, porque en tal caso resultaría mermada la capacidad de alargamiento o la resistencia mecánica del gel resultante.

Se entiende que el gel de la invención, además de los componentes básicos mencionados, puede contener también otros aditivos, que son habituales del caso de aplicación en cuestión.

Con la invención se obtiene un gel elástico como la goma, que es comestible, biodegradable en el entorno natural e integrable en una composición de abono.

En principio, el gel de la invención puede utilizarse como sucedáneo de la gelatina en los ámbitos de aplicación que se han mencionado anteriormente.

Una aplicación especial es la fabricación de cápsulas o de sistemas de liberación retardada, por ejemplo en medicina.

Los geles pueden utilizarse en aplicaciones del sector alimentario o de bebidas, en medicina y en farmacología, en agroquímica y en cosmética. En tales casos pueden dotarse de los principios activos y/o aditivos necesarios.

Para tales aplicaciones pueden convertirse, si se desea, en la forma correspondiente, por ejemplo fibras, láminas, películas, monofilamentos, tabletas, cápsulas y similares.

Otro campo de aplicación es la fabricación de sistemas de liberación retardada, es decir, los sistemas denominados de "liberación controlada" (controlled release).

En las figuras se representa:

Figura 1: representación esquemática de la estructura de un gel de la invención.

Figura 2.1 y 3.1: el efecto de la red PG/almidón en la resistencia mecánica.

Figura 2.2 y 3.2: el efecto de la red PG/almidón en el módulo de elasticidad, módulo E.

Figuras 2.3 y 3.3: el efecto de la red PG/almidón en el alargamiento a la rotura.

Figura 4.1: el efecto de la concentración c de la solución en la resistencia mecánica de la red PG/almidón.

Figura 4.2: el efecto de la concentración c de la solución en el módulo E de la red PG/almidón.

Figura 4.3: el efecto de la concentración c de la solución en el alargamiento a la rotura de la red PG/almidón.

Figura 5: el efecto de la densidad de la red PG/almidón en la proporción de hinchamiento volumétrico en jugo gástrico sintético.

En la figura 1, las cristalitas de poliglucano eventualmente junto con la porción de almidón co-cristalizada forman puntos de reticulación (1) dentro de la red del gel y la porción de almidón no cristalizada forma uniones (2) entre las cristalitas o los puntos de reticulación (1). Los signos de referencia (3) indican el agente hinchante (plastificante) incrustado dentro de la red.

Las cristalitas unidas mediante macromoléculas de almidón no cristalinas forman la llamada microfase, la red activa en sentido elástico.

La formación de la red elásticamente activa, que se alarga en toda la dimensión de la muestra, se regula con la estequiometría del número y funcionalidad de los puntos de unión.

La teoría de la formación de la red se formula del modo siguiente: en el curso del proceso de gelificación, las cristalitas se lixivian por la inclusión parcial de moléculas de almidón co-cristalizadas. El logro de la lixiviación (percolación) puede indicarse con el grado crítico de reticulación Ac (siendo Ac = valor crítico de A), siendo A la porción de grupos funcionales de los puntos de reticulación, que han reaccionado en el curso de la formación del gel. El número de elementos que pueden unirse a un punto de la red se denomina funcionalidad f.

Existe la relación Ac = 1/(f-1).

Si la funcionalidad es 2, la lixiviación Ac = 1 solamente se alcanza cuando han reaccionado todos los grupos funcionales.

En los geles descritos, la funcionalidad se indica con el número de moléculas de almidón co-cristalizadas por cristalita (n) y por el número de cristalitas por molécula de almidón (x):

f = (x-1)(n-1) + 1

Dado que, como es de esperar, x es mayor que 1 y n es mayor que 1, resulta que f >> 1.

La porción real del módulo de cizallamiento (G) en los ensayos de vibración-cizallamiento puede relacionarse con la funcionalidad f y con la concentración volumétrica de los elementos elásticamente activos de la red (Ne/V):

G = ((fn-2)/fn)RTNe/V

en la que R = constante de gas

T = temperatura en ºK

fn = número de la funcionalidad.

Dado que fn >> 1, resulta que G = RT Ne/V.

El módulo de la red hinchada (Gq) puede hallarse a partir del factor de hinchamiento (Vq/Vo):

Gq = Go Vo/Vq

en la que Go = módulo de la red no hinchada.

A diferencia de los geles de gelatina, los geles de poliglucano/almidón de la invención no son termorreversibles, es decir, para disolver las cristalitas no basta con elevar la temperatura. Para disolverlas se requiere un disolvente idóneo, por ejemplo KOH o sulfóxido de dimetilo (DMSO).

Mediante hinchamiento o contracción se puede influir en la densidad de la red y, con ella, en las propiedades mecánicas como son el módulo, el alargamiento y la tensión de rotura.

Como agentes hinchantes se pueden utilizar los mencionados anteriormente, siendo preferidos los plastificantes del tipo agua y/o glicerina. Como agentes de contracción pueden utilizarse el etanol, el metanol o la acetona.

En la temperatura de solidificación vítrea (Tg) se congelan los movimientos de segmentos cooperativos de las macromoléculas y, como consecuencia, sus cambios conformacionales dentro del gel y los geles se convierten en quebradizos, pierden su elasticidad de goma.

La temperatura de solidificación vítrea dependen en gran manera del factor de hinchamiento y también del tipo de medio de hinchamiento, por ello no se puede establecer relación alguna de validez general para la Tg.

La porción relativa de PG dentro del almidón es el que tiene un mayor efecto en la densidad de la red y, con ella, en las propiedades mecánicas de los geles - en igualdad de grado de hinchamiento -.

Esta relación se ilustra en los ejemplos siguientes.

De forma muy general, la obtención de los geles de la invención por precipitación de poliglucano (PG) - eventualmente en presencia de almidón - puede realizarse en un disolvente idóneo, en tal caso los geles de cristalización se forman por co-cristalización del PG y eventualmente el almidón.

Al igual que las cristalitas de PG - analizadas por dispersión gran angular de rayos X de muestras policristalinas -, los geles presentan eventualmente cristalitas del tipo almidón nativo de patata.

La formación de los geles en estos sistemas puede iniciarse por ejemplo disminuyendo la concentración del disolvente y/o la temperatura.

Las fases elásticas/elásticas como la goma que se obtienen son estables en un intervalo de temperaturas comprendido entre la temperatura de solidificación vítrea del almidón y la temperatura de fusión de las cristalitas de PG/almidón.

Se ha observado que los módulos de cizallamiento o de alargamiento de los geles resultantes guardan relación con el número de cristalitas del gel, de modo que su capacidad de alargamiento o su resistencia mecánica puede ajustarse por tanto a través de la porción de PG.

La obtención puede tener lugar por ejemplo por co-precipitación en una primera solución de almidón disuelto en uno o en varios plastificantes y en una segunda solución con poliglucano disuelto.

Para ello, el poliglucano puede disolverse por ejemplo en un hidróxido alcalino fuerte, por ejemplo en hidróxido potásico de molaridad entre 0,01 y 3,0.

Se mezclan las soluciones y se inicia la precipitación por neutralización de la mezcla resultante con un ácido, por ejemplo con ácido fosfórico, ácido cítrico o similar.

La neutralización se realiza con preferencia especial con una porción elevada de PG a una temperatura elevada, con el fin de impedir una gelificación prematura antes de finalizar la neutralización, lo cual podría perjudicar la homogeneidad de los geles obtenidos. Un intervalo idóneo de temperaturas se sitúa entre 50 y 60ºC.

Los geles de la invención pueden obtenerse además a partir de una masa fundida, para ello puede utilizarse una amasadora de cámara o una extrusora-amasadora de doble husillo. En este caso pueden obtenerse geles en forma de fibras, de monofilamentos, de películas o de láminas.

Se puede utilizar por ejemplo una extrusora-amasadora de doble husillo co-rotatoria, de peinado denso y autolimpiadora.

Para ello puede equiparse la extrusora después de la boquilla de salida por ejemplo con un mezclador estático y con un intercambiador de calor. A la salida del mezclador puede montarse opcionalmente una boquilla plana o una boquilla de hilatura de fibras.

Además, para el caso mencionado antes en relación con la precipitación de añadir al poliglucano en solución un hidróxido alcalino, dicho hidróxido alcalino se neutraliza en el mezclador posterior.

Lo esencial es que en el material extruido no se realice la lixiviación de los elementos elásticamente activos del gel hasta después del moldeo en forma de película o de fibra.

Si se desea, las películas o fibras extruidas pueden conducirse a un baño que contenga agente de precipitación, por ejemplo metanol, etanol, acetona o similares y después se someten a estiraje y secado.

La formación del gel se realiza con preferencia por precipitación en la solución, porque cuando dicha formación del gel se efectúa a partir de una masa fundida puede ocurrir una degradación térmica del PG.

A continuación se ilustra la presente invención con mayor detalle mediante ejemplos, para dichos ejemplos se emplea un poliglucano lineal e insoluble en agua, preferido según la invención.

El poliglucano concreto utilizado para los ejemplos tiene un peso molecular numérico M_{n} de 65 y un peso molecular ponderal M_{w} de 85.

Estos ejemplos son ilustrativos.

Ejemplos 1. Solubilidad del poli-\alpha-1,4-glucano en KOH

Debido a la gran estabilidad de las cristalitas de PG y de la tendencia del PG a la degradación térmica cuando se somete a temperaturas elevadas, para la obtención del gel es más preferida la formación de la red en solución que el proceso de fusión termoplástica en presencia de un plastificante.

Para la formación de la red en solución se estudia la solubilidad del PG en KOH. La tabla siguiente recoge la solubilidad de diversas cantidades de PG en KOH acuoso.

disolvente [M] KOH	T [ºC]	PG [g]	t [min]
0,50	43	12	4
	43	15	insoluble
0,75	43	18	1
	43	27	insoluble
1,00	25	12	1
	25	18	1
	25	27	5

Para evaluar la solubilidad se estudia una gota de solución en el microscopio, en él pueden observarse bien las cristalitas de PG sin disolver.

La posible turbidez o la coloración verdosa o amarillenta de la solución se atribuyen a impurezas del PG empleado.

2. Formación de la red

Se mezclan a temperatura ambiente en diferentes proporciones soluciones de almidón de un contenido de almidón (Paselli WA 4 de AVEBE, aprox. 78% de amilopectina) de 5,5 g en 100 ml de una solución acuosa 0,5 M de KOH con las cantidades equivalentes en cada caso de glicerina con soluciones de PG (5,5 g en 100 ml de una solución acuosa 0,5 M de KOH) y después se neutralizan con ácido ortofosfórico.

A partir de una porción de PG superior al 10% (referido al contenido de almidón y de PG) tiene lugar durante la neutralización la formación espontánea del gel, pudiendo observarse una coloración blanca del material.

La formación del gel es tanto más rápida, cuanto mayor es el contenido de PG. Además, con un mayor contenido de PG aumenta también la resistencia mecánica del gel.

Cuando el contenido de PG es inferior al 10%, la formación del gel se retrasa y la resistencia mecánica y la coloración blanca de los geles resultantes son menores.

La coloración blanca observada debe atribuirse a la cristalización del PG, porque las cristalitas presentan otro índice de refracción al de la solución y la formación de gel observada confirma que de hecho las cadenas laterales de amilopectina se ha incorporado a las cristalitas de PG.

Para confirmarlo se neutraliza la solución de PG ya antes de mezclarla con la solución de almidón. En este caso, el PG precipita en forma de suspensión blancuzca de cristalitas.

Las mezclas de estas suspensiones con la solución de almidón continúan siendo líquidas incluso después de la neutralización y no se observa formación alguna de gel.

La no formación del gel se atribuye a que las cristalitas de PG ya han precipitado antes de la mezcla y, por ello, ya no están disponibles para la incorporación de cadenas laterales de amilopectina.

Esta observación confirma que mediante el PG es posible fijar la solución de almidón sobre los puntos de unión cristalinos y obtener un gel.

Para evitar que la formación del gel se inicia ya antes de que haya finalizado la neutralización y, por ello, quede mermada la homogeneidad de los geles resultantes, la neutralización puede efectuarse a temperatura elevada, por ejemplo entre 50 y 60ºC. De este modo puede lograrse, incluso cuando el contenido de PG es elevado, que la formación del gel solamente se inicie durante el enfriamiento que sigue a la neutralización.

Por el procedimiento descrito antes se obtienen películas que, además de almidón y el reticulante PG, contienen glicerina como plastificante y agua, que mediante un secado adecuado se ajusta al contenido deseado.

Las películas contienen además trazas de fosfato potásico, procedentes de la neutralización.

3. Series de ensayos I, II y III

Mediante las series de ensayos I y II se obtienen redes de contenido variable de PG. Para ello se disuelve a temperatura ambiente el almidón WA4 con la cantidad equivalente de glicerina en KOH 0,5 M y a 43ºC el PG sin glicerina. La concentración del WA4 y del PG es en cada caso de 0,5 g/ml. A partir de este material se preparan mezclas de diversos contenidos en PG, se calienta a 50ºC y se neutralizan con ácido ortofosfórico. Después se vierten las mezclas sobre películas de Teflon y se secan en la atmósfera. En la serie de ensayos III se disuelve el almidón WA4 con la cantidad equivalente de glicerina en agua.

Sin embargo, el PG disuelto se neutraliza con la solución de almidón antes del mezclado, con lo cual precipita el PG. De este modo se puede asegurar que el PG no pueda formar red alguna con el almidón, a diferencia de lo que ocurría en las series experimentales I y II. Únicamente después se mezclan los dos componentes, se calientan a 50ºC, se vierten para obtener películas y se secan. Para lograr contenidos similares de agua se almacenan las películas en un desecador, sobre una solución saturada de cloruro de litio de una actividad de agua de 0,113, durante dos semanas. De las películas acondicionadas se troquelan probetas para los ensayos de tracción y se estudian sus propiedades mecánicas en el ensayo de tracción.

Los resultados se recogen en la tabla 1. En esta tabla y en las siguientes, los símbolos significan lo siguiente:

PG: porción de PG (referida a PG+almidón)

Gli: porción de glicerina (referida al conjunto de la mezcla)

H_{2}O: contenido de agua (referido al conjunto de la mezcla)

E: módulo de elasticidad

\sigma_{m}: resistencia máxima

\varepsilon_{m}: alargamiento en la resistencia máxima

\varepsilon_{b}: alargamiento a la rotura; d: grosor de la probeta.

Los ensayos de tracción se efectúan con probetas de 13 mm de longitud y con una velocidad de estiramiento de 70 mm/min.

En la figura 2.1 se representan las resistencias de las series de ensayos I, II y III en función de la porción de PG (referida a almidón más PG).

Los puntos de medición de la serie III, en la que no existe red alguna, forman una curva ascendente, ya que al aumentar el contenido de PG se reduce el contenido de glicerina (dado que se desconoce cuánta glicerina pueden absorber las cristalitas del PG utilizado, se ajusta el contenido de glicerina de tal manera que sea constante en las diferentes mezclas con respecto a la porción de almidón).

A partir de un contenido de PG superior al 5%, las curvas de las series I y II se desplazan hacia resistencias mecánicas mayores en un valor de 2 MPa.

Esta mayor resistencia debe atribuirse a la red PG/almidón.

En la figura 2.2 se representan los módulos E de las mismas series de ensayo en función del contenido de PG. Las mezclas, que pueden desarrollar una red, tienen a partir del 5% de PG módulos E netamente superiores a los de las mezclas sin red.

La situación en el caso del módulo E es similar a la de la resistencia mecánica.

Los alargamientos a la rotura en función de la porción de PG se representan en la figura 2.3. En caso de existir red son algo mayores que sin red, pero la diferencia es mucho menor que en el caso de la resistencia mecánica o del módulo E. Probablemente esto debería atribuirse a que las películas acondicionadas todavía contienen burbujas de aire, con lo cual se perjudica la exactitud de las propiedades mecánicas.

1

Sin embargo, el cotejo de las series experimentales I y II con III confirma claramente la existencia de una red y sus ventajas.

4. Series experimentales IV, V, VI y VII

De modo similar a la ejecución de ensayos descrita anteriormente en el apartado 2 se realizan las series experimentales IV y V con formación de redes de distintas porciones de PG, mientras que en las series VI y VII se precipita el PG por neutralización antes de mezclarlo con la solución de almidón, con lo cual no se forma red alguna.

Sin embargo, en las series V y VII a diferencia de los ensayos anteriores se añade a las soluciones de PG una porción de glicerina equivalente al contenido de PG, de modo que todas las mezclas de estas series tienen una porción constante de glicerina, situada en el 50%.

En la figura 3.1, en la que se representan las resistencias mecánicas de las películas de estas mezclas, el aumento de resistencia mecánica a medida que aumenta el contenido de PG es claramente menor para las series V y VII que tienen un contenido constante de glicerina que para las series IV y VI. Sin embargo, las dos posibilidades de preparar las muestras ponen de manifiesto que, si se forma una red, la resistencia mecánica obtenida es mayor.

Las propiedades mecánicas medidas en el ensayo de tracción se recogen en las tablas 2a y 2b. Las probetas de estas series de ensayos no se acondicionan sobre una solución saturada de cloruro de litio, sino que se secan en la atmósfera. Por ello, el contenido de agua varía de una muestra a otra, tal como se refleja en las tablas 2a y 2b; el contenido de agua aumenta ligeramente con el contenido de PG, porque en la obtención de la red a medida que aumenta el contenido de PG se obtienen líquidos más viscosos y, por ello, películas más gruesas. Dado que para las series VI y IV así como V y VII son similares en lo que respecta al contenido de agua, por ello las diferencias medidas son relativamente
escasas.

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(Tabla pasa a página siguiente)

2

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En la figura 3.2 se representa el módulo E en función del contenido de PG para estas series. Para el módulo E se obtienen cualitativamente las mismas relaciones que para las resistencias mecánicas.

En la figura 3.3 se presentan los resultados de los alargamientos a la rotura frente al contenido de PG. En caso de formarse una red, el alargamiento a la rotura es mucho que menor que cuando no existe dicha red, como ocurre cuando el almidón y el PG empleado forman un sistema bifásico simple, no reticulado.

5. Efecto de la concentración de las soluciones en la red del PG/almidón

Ya era de esperar que partiendo de soluciones más concentradas se podrían obtener redes más densas, de mayor número de puntos de reticulación por unidad de volumen, por ello, además de las series experimentales descritas anteriormente con soluciones en cada caso de 0,05 g de almidón seco o de PG seco, se preparan redes de almidón y de PG partiendo de soluciones más concentradas, en las que la concentración de almidón y de PG se sitúan en cada caso en 0,09 mg/ml y en 0,12 g/ml (ver series experimentales 8 y 9). Véase la tabla 3.

Las películas obtenidas en estos casos se secan también en la atmósfera, de modo que el contenido de agua aumenta algo a raíz del mayor contenido de PG, pero las tres series experimentales son comparables.

En la figura 4.1 se representa la resistencia mecánica de las tres concentraciones en función del contenido de PG. Se pone claramente de manifiesto que las soluciones más concentradas dan lugar a resistencias mecánicas mayores y por lo tanto a redes más densas. El mismo hecho se refleja también en la figura 4.2, en la que se representa el módulo E en función del contenido de PG para las tres concentraciones.

A diferencia de ello, en la figura 4.3 se pone de manifiesto que las redes más densas tienen alargamientos a la rotura más pequeños.

Era de esperar que las curvas de las figura 4.1 y 4.2 del contenido de PG de 0% se cortaran en un punto. Las desviaciones se atribuyen por un lado a las variaciones en el contenido de agua. Sin embargo, cabe pensar que las películas de almidón puro pueden presentar una dependencia de la concentración de la solución, a partir de la cual se hayan obtenido (una alambrada más acusada en el caso de soluciones más concentradas).

6. Estudios del comportamiento de hinchamiento de las redes de PG/almidón

Con las películas de las series V, VI, VII, VIII y IX se realizan ensayos de hinchamiento durante 24 horas en jugo gástrico sintético.

Las relaciones de hinchamiento volumétrico obtenidas se representan gráficamente en la figura 5.

El efecto de la red de PG/almidón se pone claramente de manifiesto en ella. Las películas con red presentan relaciones de hinchamiento volumétrico menores que las películas sin red y la densidad de la red influye favorablemente en la reducción de la relación del hinchamiento volumétrico, es decir, cuanto más concentrada es la solución a partir de la cual se genera la red, tanto más pequeña es la relación de hinchamiento volumétrico resultante.

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(Tabla pasa a página siguiente)

4

Claims (19)

1. Gel que comprende una poli-\alpha-1,4-glucano, que presenta un grado de ramificación de \leq 10^{-3}, así como un agente hinchante y almidón.

2. Gel según la reivindicación 1, caracterizado porque el poli-\alpha-1,4-glucano lineal es insoluble en agua.

3. Gel según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el poli-\alpha-1,4-glucano lineal presenta una polidispersidad de 1,01 a 50.

4. Gel según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación entre la porción ponderal de poli-\alpha-1,4-glucano y de almidón se sitúa en el intervalo de 0,01 a 1.

5. Gel según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la relación entre la porción ponderal de poli-\alpha-1,4-glucano y almidón frente al agente hinchante se sitúa en el intervalo de 0,01 a 0,6.

6. Gel según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque como agente hinchante se emplea un plastificante elegido entre agua, etilenglicol, glicerina, propanodiol, eritrita, manita, sorbita, ácido maleico, ácido succínico, ácido adípico, ácido láctico, ácido 2-hidroxibutírico, ácido cítrico, ácido málico, sulfóxido de dimetilo y urea.

7. Gel según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es comestible y/o biodegradable.

8. Gel según por lo menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque contiene además por lo menos otro componente farmacológica, cosmética y/o agroquímicamente activo y/o aditivos que modifican el olor y/o el sabor.

9. Gel según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el poli-\alpha-1,4-glucano lineal presenta un grado de polimerización situado entre 30 y 300.

10. Procedimiento de obtención de un gel según una de las reivindicaciones de 1 a 9, caracterizado porque se mezcla una primera solución que contiene la porción de almidón disuelta con una segunda solución que contiene la porción de poli-\alpha-1,4-glucano disuelta y se realiza una precipitación.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque se disuelve la porción del poli-\alpha-1,4-glucano en una lejía (hidróxido alcalino acuoso) y se realiza la precipitación por neutralización de la lejía con un ácido.

12. Procedimiento según la reivindicación 11, caracterizado porque como lejía se emplea el hidróxido potásico acuoso de una molaridad comprendida entre 0,01 y 3,0.

13. Procedimiento según la reivindicación 11 o 12, caracterizado porque el ácido se elige entre ácido fosfórico y ácido cítrico.

14. Procedimiento según una de las reivindicaciones de 10 a 13, caracterizado porque la mezcla de la primera solución y la segunda se realiza en una extrusora de doble husillo.

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado porque la neutralización se realiza en una mezcladora montada después de la extrusora.

16. Procedimiento según la reivindicación 14 ó 15, caracterizado porque después de la extrusora o eventualmente la mezcladora se monta para el moldeo una boquilla plana o una boquilla para hilatura de fibras.

17. Gel según una de las reivindicaciones de 1 a 9, caracterizado porque el gel está presente en forma de película, de lámina, de monofilamento o de fibra.

18. Uso de un gel según una de las reivindicaciones de 1 a 9 ó 17 en agricultura, en el sector sanitario y alimentario y en cosmética.

19. Uso de un gel según una de las reivindicaciones de 1 a 9 ó 17 para la fabricación de cápsulas o de sistemas de liberación retardada.