PL227777B1

PL227777B1 - Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki na bazie pochodnych skrobi i sposób otrzymywania biodegradowalnych hydrofilowych mikrocząstek na bazie pochodnych skrobi

Info

Publication number: PL227777B1
Application number: PL407597A
Authority: PL
Inventors: Katarzyna Wilpiszewska; Tadeusz Spychaj
Original assignee: Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny W Szczecinie
Priority date: 2014-03-21
Filing date: 2014-03-21
Publication date: 2018-01-31
Also published as: PL407597A1

Description

Przedmiotem wynalazku są biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki na bazie pochodnych skrobi i sposób otrzymywania biodegradowalnych hydrofilowych mikrocząstek na bazie pochodnych skrobi.

Skrobia jest polimerem naturalnym stanowiącym materiał zapasowy roślin, wytwarzanym w procesie asymilacji dwutlenku węgla z powietrza (proces fotosyntezy) przy udziale chlorofilu. Wykorzystywana jest przede wszystkim w przemyśle spożywczym, ale również jako m.in.: matryca polimerowa, spoiwo, napełniacz w przemysłach farmaceutycznym, kosmetycznym i papierniczym.

Mikrocząstki polimerowe wykorzystywane są m.in. w przemyśle kosmetycznym, farmaceutycznym, spożywczym, papierniczym. Stosuje się je jako nośnik substancji aktywnej, do maskowania smaku, absorbent, środek poprawiający wytrzymałość papieru.

Znane są metody otrzymywania mikrocząstek skrobiowych, głównie ze skrobi rozpuszczalnej w zimnej wodzie. Często stosowana jest metoda emulsyjna, polegająca na homogenizacji dwu niemieszających się ze sobą faz: wodnej (ze skrobią i środkiem sieciującym) i olejowej. Do poprawy stabilności emulsji stosuje się środki powierzchniowo czynne. Mikrocząstki skrobiowe powstają poprzez sieciowanie środkiem sieciującym, zazwyczaj są to: epichlorohydryna, trimetafosforan trisodowy lub N,N'-metylenobisakrylamid. Epichlorohydryna i N,N'-metylenobisakrylamid to związki silnie toksyczne. Ponadto reakcja sieciowania za pomocą epichlorohydryny i trimetafosforanu sodowego katalizowana jest w środowisku zasadowym, najczęściej wodorotlenku sodu, wymaga się więc stosowania substancji żrącej.

W patencie US2003/0211167 przedstawiono sposób otrzymywania mikrocząstek ze skrobi amylopektynowej o obniżonym ciężarze cząsteczkowym, metodą emulsyjną. Mikrocząstki uzyskano poprzez mieszanie fazy skrobiowej z roztworem poIi(glikolu etylenowego) (skrót: PEG). Następnie poprzez podniesienie temperatury układu skrobię obecną w zemulgowanych kroplach żelowano, a powstałe cząstki suszono. Zawartość skrobi w uzyskanych mikrocząstkach wynosiła co najmniej 20% wag. 100 g mikrokapsuł zawierających substancje aktywne: kwas hialuronowy i mannitol wstrzyknięto świni. Po tygodniu od iniekcji nie znaleziono mikrosfer skrobiowych w trakcie badań tkanki (zbiodegradowały).

W patencie US2001/0006698 opisano sposób otrzymywania mikrokapsuł, których rdzeń stanowiła faza olejowa, a otoczkę skrobia kukurydziana (z udziałem lub bez dekstranu). Mikrokapsuły otrzymano w warunkach podwyższonej temperatury i ciśnienia (ang. steam jet cooking).

W chińskim opisie patentowym CN101844061 przedstawiono otrzymywanie mikrosfer o otoczce ze skrobiowej pochodnej oktenylobursztynianowej.

W amerykańskim patencie US2010/0068268 opisano metodę otrzymywania mikrocząstek na bazie skrobi sieciowanej tlenochlorkiem fosforu o wysokiej zawartości amylozy oraz kopolimeru winylopirolidon-octan winylu metodą suszenia rozpyłowego. Uzyskane mikrocząstki testowano jako nośnik substancji aktywnej (np. probiotyku, kofeiny, tramadolu).

W patencie US2012/0171294 przedstawiono sposób otrzymywania porowatych mikrocząstek skrobiowych o średnicy do 50 mikrometrów. Otrzymywano je poprzez kontrolowane żelowanie skrobi, przeprowadzane w taki sposób, aby otoczka granul skrobiowych pozostała nienaruszona. W kolejnym etapie sporządzano zawiesinę mikrocząstek w etanolu, filtrowano i suszono. W patencie zaproponowano zastosowanie uzyskanych mikrocząstek zawierających olej tymiankowy do zwalczania pasożytniczych roztoczy pszczół.

W patencie US6755915 przedstawiono emulsyjną metodę otrzymywania mikrocząstek na bazie zhydrolizowanej skrobi ziemniaczanej. Fazę wodną stanowiła zawiesina skrobi w wodzie, którą wlewano do nadmiaru oleju parafinowego. Następnie dodawano katalizator reakcji sieciowania (wodorotlenek sodu) i środek sieciujący (epichlorohydryna lub trimetafosforan trisodowy). Całość podgrzewano powyżej temperatury, w której następowało odwrócenie faz emulsji po czym prowadzono reakcję sieciowania. Następnie układ chłodzono, a powstałe mikrocząstki oddzielano poprzez wirowanie i przemywano etanolem.

W patencie WO2012/108205 przedstawiono sposób otrzymywania mikrocząstek żelowych z mieszaniny CMS/poli(alkohol winylowy) (skrót: PVA) (90:10). Wykorzystano CMS o stopniu podstawienia (skrót: DS) 0,3. Emulsje otrzymywano w reaktorze mikrofluidyzacyjnym, do którego doprowadzano dwa strumienie: wodny roztwór wodorotlenku sodu z CMS/PVA i rozpuszczalnik hydrofobowy (heptan) ze środkiem powierzchniowo czynnym. Do tak otrzymanej emulsji dodawano środek sieciująPL 227 777 B1 cy - epichlorohydrynę i ogrzewano w 90°C. Po reakcji układ neutralizowano kwasem solnym, cząstki odwirowywano i przemywano wodą. Otrzymano mikrocząstki CMS/PVA o rozmiarach 10 do ok. 210 mikrometrów.

W patencie EP1905311 opisano sposób otrzymywania (metodą emulsyjną) cząstek skrobi pokrytych innym biopolimerem - alginianem sodu kowalencyjnie sieciowanym jonami wapnia, w których zawartość skrobi wynosiła 0,1-20% wag.

Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki na bazie pochodnych skrobi, według wynalazku, charakteryzują się tym, że stanowią produkt sieciowania w temperaturze 100-130°C, w czasie 0,5-4 godzin karboksymetyloskrobi o stopniu podstawienia od 0,15 do 0,95, wielokarboksylowym kwasem organicznym jako środkiem sieciującym użytym w ilości 10 do 55% wagowych w przeliczeniu na suchą masę pochodnej polisacharydowej. Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki stanowią produkt sieciowania kwasem cytrynowym, kwasem winowym, kwasem adypinowym, kwasem maleinowym, lub kwasem fumarowym, w obecności od 1 do 30% wag. napełniacza mineralnego pochodzenia naturalnego w postaci montmorylonitu lub kaolinu, w przeliczeniu na suchą masę pochodnej polisacharydowej.

Sposób otrzymywania biodegradowalnych hydrofilowych mikrocząstek na bazie pochodnych skrobi, za pomocą sieciowania z wykorzystaniem metody emulsyjnej, charakteryzuje się tym, że karboksymetyloskrobię o stopniu podstawienia od 0,15 do 0,95 rozpuszcza się w wodzie ze środkiem sieciującym, miesza z olejem roślinnym i poddaje się sieciowaniu w temperaturze 100-130°C, w czasie 0,5-4 godzin z użyciem wielokarboksylowego kwasu organicznego jako środka sieciującego, w ilości 10 do 55% wagowych w przeliczeniu na suchą masę karboksymetyloskrobi. Otrzymane mikrocząstki oddziela się za pomocą wirowania i przemywa acetonem i etanolem. Jako wielokarboksylowy środek sieciujący stosuje się kwas cytrynowy, kwas winowy, kwas adypinowy, kwas maleinowy, lub kwas fumarowy. Sieciowanie można prowadzić w obecności od 1 do 30% wagowych napełniacza mineralnego pochodzenia naturalnego w przeliczeniu na suchą masę karboksymetyloskrobi. Jako napełniacz mineralny stosuje się montmorylonit lub kaolin.

W podanej metodzie otrzymywania mikrocząstek karboksymetyloskrobiowych stosuje się odczynniki biodegradowalne, bezpieczne dla środowiska i organizmów żywych. Mikrocząstki karboksymetyloskrobiowe są hydrofilowe, nierozpuszczalne w wodzie, biodegradowalne i nietoksyczne. Mogą znaleźć zastosowanie w farmacji, medycynie, przemyśle spożywczym, agrotechnicznym i papierniczym, jako nośniki leków i innych substancji aktywnych (np. chwasto-, bakterio- i grzybobójczych oraz pokrewnych), a także jako sorbent barwników i jonów metali. Karboksymetyloskrobia jest biodegradowalnym polisacharydem o stosunkowo niskim koszcie produkcji.

Wynalazek przedstawiony jest w przykładach wykonania, w których przedstawiono skład ilościowy, warunki otrzymywania mikrocząstek, zaś rozmiary otrzymanych mikrocząstek przedstawiono w tabeli.

P r z y k ł a d 1

Do roztworu 1,1 g kwasu cytrynowego w 20 g wody dodawano 3 g CMS o DS 0,15 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju sojowego oraz 5 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 1 godzinę w temperaturze 120°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 2

Do roztworu 1,1 g kwasu adypinowego w 20 g wody dodawano 3 g CMS o DS 0,15 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju sojowego oraz 5 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 2 godziny w temperaturze 110°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 3

Do roztworu 0,3 g kwasu cytrynowego w 20 g wody dodawano 3 g CMS o DS 0,6 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju sojowego

PL 227 777 B1 oraz 15 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 4 godziny w temperaturze 120°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 4

Do roztworu 1,1 g kwasu cytrynowego w 20 g wody dodawano 3 g CMS o DS 0,95 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju rzepakowy oraz 5 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1500 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 2 godziny w temperaturze 120°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 5

Do roztworu 0,5 g kwasu cytrynowego w 20 g wody dodawano 4,5 g CMS o DS 0,8 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju rzepakowego oraz 3 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1500 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 0,5 godziny w temperaturze 110°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 6

Do roztworu 1,66 g kwasu maleinowego w 20 g wody dodawano 3 g CMS o DS 0,6 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju słonecznikowego oraz 3 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 1 godzinę w temperaturze 130°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 7

Do roztworu 1,66 g kwasu maleinowego w 20 g wody dodawano 2% montmorylonitu w przeliczeniu na suchą masę CMS, a następnie 3 g CMS o DS 0,15 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju rzepakowego oraz 3 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 4 godziny w temperaturze 100°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 8

Do roztworu 1,66 g kwasu maleinowego w 20 g wody dodawano 1% montmorylonitu w przeliczeniu na suchą masę CMS, a następnie 3 g CMS o DS 0,6 mieszając układ mieszadłem magnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju rzepakowego oraz 3 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (2000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 1 godzinę w temperaturze 130°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

P r z y k ł a d 9

Do roztworu 1,66 g kwasu maleinowego w 20 g wody dodawano 30% montmorylonitu w przeliczeniu na suchą macą CMS. a następnie 3 g CMS o DS 0,6 mieszając układ mieszadłem maPL 227 777 Β1 gnetycznym. W reaktorze kulistym (250 ml) odmierzano 100 g oleju rzepakowego oraz 3 g środka powierzchniowo czynnego (Span 80). Po całkowitym rozpuszczeniu się CMS, zawartość zlewki przelewano do reaktora zaopatrzonego w mieszadło kotwicowe, chłodnicę oraz termoparę intensywnie mieszając (1000 obr./min) zawartość reaktora. Układ ogrzewano przez 1 godzinę w temperaturze 130°C. Po zakończeniu reakcji, powstałe mikrocząstki oddzielano za pomocą wirówki (2500 obr./min przez 10 min) następnie przemywano kolejno acetonem i etanolem, po czym suszono w temperaturze 60-70°C przez 24 godziny.

W tabeli zestawiono wartości średnic mikrocząstek otrzymanych w przykładzie 1-9, które oznaczono za pomocą mikroskopu laserowego skaningowego.

Tabela

Nr reakcji wg przykładu	Średnia średnica mikrocząstek [gm]
i	54
Ί	52
	46
4	88
5	40
6	64
7	48
8	56
9	46

Zastrzeżenia patentowe

Claims

1. Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki na bazie pochodnych skrobi, znamienne tym, że stanowią produkt sieciowania w temperaturze 100-130°C, w czasie 0,5-4 godzin karboksymetyloskrobi o stopniu podstawienia od 0,15 do 0,95 wielokarboksylowym kwasem organicznym jako środkiem sieciującym, użytym w ilości 10 do 55% wag. w przeliczeniu na suchą masę pochodnej polisacharydowej.

2. Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki według zastrz. 1, znamienne tym, że stanowią produkt sieciowania kwasem cytrynowym, kwasem winowym, kwasem adypinowym, kwasem maleinowym lub kwasem fumarowym.

3. Biodegradowalne hydrofilowe mikrocząstki według zastrz. 1, znamienne tym, że stanowią produkt sieciowania w obecności od 1 do 30% wag. napełniacza mineralnego pochodzenia naturalnego, w postaci montmorylonitu lub kaolinu, w przeliczeniu na suchą masę pochodnej polisacharydowej.

4. Sposób otrzymywania biodegradowalnych hydrofilowych mikrocząstek na bazie pochodnych skrobi, za pomocą sieciowania z wykorzystaniem metody emulsyjnej, znamienny tym, że karboksymetyloskrobię o stopniu podstawienia od 0,15 do 0,95 rozpuszcza się w wodzie ze środkiem sieciującym, a następnie miesza się z olejem roślinnym i poddaje się sieciowaniu w temperaturze 100-130°C, w czasie 0,5-4 godzin z użyciem wielokarboksylowego kwasu organicznego jako środka sieciującego w ilości 10 do 55% wagowych w przeliczeniu na suchą masę karboksymetyloskrobi, przy czym otrzymane mikrocząstki oddziela się za pomocą wirowania i przemywa acetonem i etanolem.

PL 227 777 B1

5. Sposób otrzymywania według zastrz. 4, znamienny tym, że jako wielokarboksylowy środek sieciujący stosuje się kwas cytrynowy, kwas winowy, kwas adypinowy, kwas maleinowy lub kwas fumarowy.

6. Sposób otrzymywania według zastrz. 4, znamienny tym, że sieciowanie prowadzi się w obecności od 1 do 30% wag. napełniacza mineralnego pochodzenia naturalnego w przeliczeniu na suchą masę karboksymetyloskrobi.

7. Sposób otrzymywania biodegradowalnych hydrofilowych mikrocząstek według zastrz. 6, znamienny tym, że jako napełniacz mineralny stosuje się montmorylonit lub kaolin.

Departament Wydawnictw UPRP