Verfahren zur Herstellung versprühbarer kationischer Biopoiymere Process for the preparation of sprayable cationic biopolymers
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung versprühbarer kationischer Biopolymere durch Abbau von Chitosanpulvern mit Wasserstoffperoxid.The invention relates to a method for producing sprayable cationic biopolymers by degrading chitosan powders with hydrogen peroxide.
Stand der TechnikState of the art
Chitosane stellen Biopolymere dar und werden zur Gruppe der Hydrokolloide gezählt Chemisch betrachtet handelt es sich um partiell deacetylierte Chitine unterschiedlichen Molekulargewichtes, die den - idealisierten - folgenden idealisierten Monomerbaustein enthalten:Chitosans are biopolymers and belong to the group of hydrocolloids. Chemically speaking, they are partially deacetylated chitins of different molecular weights that contain the - idealized - following idealized monomer building block:
Im Gegensatz zu den meisten Hydrokolloiden, die im Bereich biologischer pH-Werte negativ geladen sind, stellen Chitosane unter diesen Bedingungen kationische Biopoiymere dar. Die positiv geladenen Chitosane können mit entgegengesetzt geladenen Oberflächen in Wechselwirkung treten und werden daher in kosmetischen Haar- und Köφeφflegemitteln eingesetztIn contrast to most hydrocolloids, which are negatively charged in the range of biological pH values, chitosans are cationic biopolymers under these conditions. The positively charged chitosans can interact with oppositely charged surfaces and are therefore used in cosmetic hair and body care products
Obersichten zu diesem Thema sind beispielsweise von B.Gesslein et al. in HAPPI 27, 57 (1990), O.Skaugrud in Drug Cosm. Ind. 148, 24 (1991) und EOnsoyen et al. in Seifen-Öle-Fette-Wachse
117. 633 (1991) erschienen. Zur Herstellung der Chitosane geht man von Chitin, vorzugsweise den Schalenresten von Krustentieren aus, die als billige Rohstoffe in großen Mengen zur Verfügung stehen. Das Chitin wird dabei in einem Verfahren das erstmals von Hackmann et al. beschrieben worden ist üblicherweise zunächst durch Zusatz von Basen deproteiniert durch Zugabe von Mineralsäuren demineraiisiert und schließlich durch Zugabe von starken Basen deacetyiiert, wobei die Mole¬ kulargewichte über ein breites Spektrum verteilt sein können. Entsprechende Verfahren sind bei¬ spielsweise aus Makromol. Chem. 177, 3589 (1976) oder der französischen Patentanmeldung FR-A 2701 266 bekanntOverviews on this topic are, for example, by B. Gesslein et al. in HAPPI 27, 57 (1990), O.Skaugrud in Drug Cosm. Ind. 148, 24 (1991) and EOnsoyen et al. in soap-oil-fat waxes 117, 633 (1991). The production of chitosans is based on chitin, preferably the shell remains of crustaceans, which are available in large quantities as cheap raw materials. The chitin is used in a process that was first developed by Hackmann et al. It has usually been described first as deproteinized by adding bases, by adding mineral acids, and finally deacetyiated by adding strong bases, it being possible for the molecular weights to be distributed over a broad spectrum. Corresponding methods are made, for example, of macromol. Chem. 177, 3589 (1976) or French patent application FR-A 2701 266
Ein Problem bei der Herstellung von Chitosanen besteht allerdings darin, daß die wäßrigen oder gly- colsauren Lösungen der Produkte selbst bei starker Verdünnung (1 bis 3 Gew.-%) für die Herstellung von Sprayrezepturen eine zu hohe Viskosität aufweisen, so daß die Einarbeitung von Chitosan, einem vorzüglichen Fiimbildner, beispielsweise in Haarsprays nicht ohne weiteres möglich ist Weiterhin von Nachteil ist es, daß die Chitosane hersteilungsbedingt eine rötliche Färbung aufweisen, die für eine Vielzahl von kosmetischen Anwendungen nicht erwünscht istA problem in the production of chitosans, however, is that the aqueous or glycolic acid solutions of the products have too high a viscosity for the production of spray formulations even when diluted strongly (1 to 3% by weight), so that the incorporation of Chitosan, an excellent film-forming agent, for example in hair sprays, is not readily possible. Another disadvantage is that the chitosans have a reddish color due to the production process, which is not desirable for a large number of cosmetic applications
Die Aufgabe der Erfindung hat daher darin bestanden, ein Verfahren zur Herstellung von kationischen Biopolymeren, speziell Chitosanen, zu entwickeln, deren Lösungen gleichzeitig niedrigviskos sind, sich einfach versprühen lassen und eine vorteilhaft hohe Farbqualität aufweisen.The object of the invention was therefore to develop a process for the production of cationic biopolymers, especially chitosans, whose solutions are low-viscosity at the same time, can be easily sprayed and have an advantageously high color quality.
Beschreibung der ErfindungDescription of the invention
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung versprühbarer kationischer Biopolymere, bei dem man pulverförmige Chitosane in einer Mischvoπichtung mit einer wäßrigen Wasserstoff- peroxidlösung abbaut und anschließend in polaren Medien auflöstThe invention relates to a process for the preparation of sprayable cationic biopolymers, in which powdered chitosans are broken down in a mixing device with an aqueous hydrogen peroxide solution and then dissolved in polar media
Überraschenderweise wurde gefunden, daß die nachträgliche Behandlung von trockenen Chitosan- pulvern mit Wasserstoffperoxid beispielsweise in Pflugscharmischern schon bei niedrigen Tempera¬ turen nicht nur zu einer deutlichen Farbaufhellung führt, sondern gleichzeitig auch ein Abbau stattfindet so daß Produkte erhalten werden, deren verdünnte wäßrigen oder organisch sauren Lösungen nun eine so geringe Viskosität aufweisen, daß sie sich problemlos versprühen lassen. Da das Verfahren vorzugsweise bei neutralem bzw. durch das Chitosan schwach alkalischem pH-Wert durchgeführt wird, ist mit dem Peroxidabbau auch keine zusätzliche Salzbelastung verbunden.
ChitosaneSurprisingly, it was found that the subsequent treatment of dry chitosan powders with hydrogen peroxide, for example in ploughshare mixers, not only leads to a clear lightening of the color even at low temperatures, but also degradation takes place at the same time, so that products are obtained whose dilute aqueous or organically acidic Solutions now have such a low viscosity that they can be sprayed without problems. Since the process is preferably carried out at a neutral pH or slightly alkaline due to the chitosan, there is no additional salt load associated with the peroxide degradation. Chitosane
Die Auswahl der Chitosane, auf die sich das Abbauverfahren erstreckt ist an sich unkritisch. Das bedeutet daß weder Deacylierungsgrad noch das mittlere Molekulargewicht der Biopolymere einen signifikanten Einfluß auf die resultierende Viskosität Farbe und Stabilität der Produkte haben. Im Hinblick auf die Korngröße des eingesetzten Chitosans haben sich leichte Vorteile für mikrokristalline Produkte ergeben, doch auch der Einsatz von Chitosanen konventioneller Korngrößenverteilung, wie sie beispielsweise bei der Sprühtrocknung, Heißdampftrocknung oder Gefriertrocknung, gegebenenfalls nach anschließender mechanischer Zerkleinerung und Autokiavierung anfälen, führt zu ausgezeichneten Produktqualitäten. Des weiteren ist das Verfahren auch auf derivatisierte Chitosane wie z.B. quartäre Produkte vom Typ des Hydroxypropylchitosans sowie auf anionische Umsetzungsprodukte von Chitosanen mit Dicarbonsäureanhydriden anwendbar.The selection of the chitosans to which the degradation process extends is not critical in itself. This means that neither the degree of deacylation nor the average molecular weight of the biopolymers have a significant influence on the resulting viscosity, color and stability of the products. With regard to the grain size of the chitosan used, there have been slight advantages for microcrystalline products, but the use of chitosans of conventional grain size distribution, such as those that occur in spray drying, steam drying or freeze drying, if necessary after subsequent mechanical comminution and autoclaving, leads to excellent product qualities . The method is also applicable to derivatized chitosans such as e.g. quaternary products of the type of hydroxypropylchitosan and applicable to anionic reaction products of chitosans with dicarboxylic anhydrides.
WasserstoffperoxidlösunqenHydrogen peroxide solutions
Als Abbaumittel kommen Wasserstoffperoxidlösungen des Handels in Betracht die einen Aktiv¬ substanzgehalt von 25 bis 55 und vorzugsweise 35 bis 50 Gew.-% aufweisen. Sie werden üblicher¬ weise in einer Konzentration von 0,05 bis 30, vorzugsweise 0,1 bis 10 und insbesondere 0,5 bis 5 Gew.-% - berechnet als 100%iges Wasserstoffperoxid und bezogen auf die Trockensubstanz der Chitosane - eingesetztCommercial hydrogen peroxide solutions which have an active substance content of 25 to 55 and preferably 35 to 50% by weight are suitable as degradation agents. They are usually used in a concentration of 0.05 to 30, preferably 0.1 to 10 and in particular 0.5 to 5% by weight, calculated as 100% hydrogen peroxide and based on the dry substance of the chitosans
Durchführung des PeroxidabbausImplementation of peroxide degradation
Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Peroxidabbau bei niedrigen Temperaturen, bei¬ spielsweise im Bereich von 30 bis 70 und vorzugsweise 45 bis 55βC durchzuführen. Hierzu legt man das Chitosanpulver, das eine Restfeuchte von 5 bis 35 Gew.-% aufweisen kann, in einem Mischer, beispielsweise einem Pflugscharmischer der Fa. Lödige oder einem Drais-Mischer vor und gibt die entsprechende Menge Wasserstoffperoxidlösung zu. Falls erforderlich, kann das Produkt anschließend einerweiteren Trocknung unterworfen werden. Üblicherweise wird der Abbau über einen Zeitraum von 0,5 bis 5, vorzugsweise 1 bis 3 h durchgeführt Es werden praktisch farblose, lagerstabile Produkte erhalten, deren Lösungen sich leicht versprühen lassen.
Polare MedienIt has proved to be particularly advantageous, peroxide decomposition at low temperatures, spielsweise in the range of 30 to 70 and preferably 45 to 55 perform β C. For this purpose, the chitosan powder, which may have a residual moisture content of 5 to 35% by weight, is placed in a mixer, for example a ploughshare mixer from Lödige or a Drais mixer, and the corresponding amount of hydrogen peroxide solution is added. If necessary, the product can then be subjected to further drying. The degradation is usually carried out over a period of 0.5 to 5, preferably 1 to 3, hours. Practically colorless, storage-stable products are obtained whose solutions can be easily sprayed. Polar media
Als geeignete Lösungsmittel für die abgebauten Chitosanpuiver kommen Wasser und organische Säuren, vorzugsweise Glycol- oder Essigsäure in Frage. Üblicherweise löst man die Pulver in Mengen von 0,5 bis 5 und vorzugsweise 1 bis 3 Gew.-%.Suitable solvents for the degraded chitosan powder are water and organic acids, preferably glycolic or acetic acid. The powders are usually dissolved in amounts of 0.5 to 5 and preferably 1 to 3% by weight.
Gewerbliche AnwendbarkeitIndustrial applicability
Löst man die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Chitosanpuiver in Wasser oder organischen Säuren, zeigen die 1 bis 5 Gew.-%igen Lösungen eine überraschend niedrige Viskosität und lassen sich leicht versprühen. Sie sind zudem praktisch farblos und lagerstabil. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen kationischen Biopolymere eignen sich daher • sowohl ais Pulver als auch in Form besagter Lösungen - als Rohstoffe für die Herstellung von Mitteln zur Haar- und Köφβφfiege, in denen sie in Mengen von 0,5 bis 10, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.-% - bezogen auf die Mittel - enthalten sein können. Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft daher die Verwen¬ dung der nach dem beschriebenen Verfahren erhältlichen Chitosane zur Herstellung von Sprayrezep¬ turen, insbesondere Haarsprays.
If the chitosan additives obtainable by the process according to the invention are dissolved in water or organic acids, the 1 to 5% by weight solutions show a surprisingly low viscosity and can be sprayed easily. They are also practically colorless and stable in storage. The cationic biopolymers obtainable by the process according to the invention are therefore suitable • both as powder and in the form of said solutions - as raw materials for the preparation of hair and body preparations, in which they are present in amounts of 0.5 to 10, preferably 1 to 5 wt .-% - based on the agent - may be included. Another object of the invention therefore relates to the use of the chitosans obtainable by the process described for the production of spray formulations, in particular hair sprays.
BeispieleExamples
Beispiel 1example 1
In einem Flugscharmischer der Fa. Lödige wurden 100 g eines leicht rosagefärbten Chitosanpulvers (Restfeuchte 10,3 Gew.-%, Viskosität der 1 Gew.-%igen wäßrigen Lösung bei pH = 5 : 3.500 mPas) und 27,5 g Wasser vorgelegt Hierzu wurden 0,9 g einer 50 Gew.-%igen Wasserstoffperoxidlösung bei einer Temperatur von 55βC gegeben. Der Ansatz wurde über einen Zeitraum von 90 min intensiv ver¬ mischt Anschließend wurde ein praktisch farbloses Produkt erhalten. Die 1 Gew.-%ige wäßrige Lösung zeigte nur noch eine Viskosität von 63 mPas (Brookfield RVF, Spindel 4 bzw. 1, 10 UpM, 20βC).100 g of a slightly pink-colored chitosan powder (residual moisture 10.3% by weight, viscosity of the 1% by weight aqueous solution at pH = 5: 3,500 mPas) and 27.5 g of water were placed in a flight shear mixer from Lödige 0.9 g of a 50 wt .-% hydrogen peroxide solution were added at a temperature of 55 ° C. The batch was mixed intensively over a period of 90 min. A practically colorless product was then obtained. The 1% by weight aqueous solution only had a viscosity of 63 mPas (Brookfield RVF, spindle 4 or 1, 10 rpm, 20 ° C.).
Beispiel 2Example 2
In einem Flugscharmischer der Fa. Lödige wurden 100 g eines leicht rosagefärbten Chitosanpulvers (Restfeuchte 10,3 Gew.-%, Viskosität der 1 Gew.-%igen wäßrigen Lösung bei pH = 5 : 3.500 mPas) und 27,5 g Wasser vorgelegt Hierzu wurden 9 g einer 50 Gew.-%igen Wasserstoffperoxidlösung bei einer Temperatur von 55βC gegeben. Der Ansatz wurde über einen Zeitraum von 90 min intensiv venmischt Anschließend wurde ein praktisch farbloses Produkt erhalten. Die 1 Gew.-%ige wäßrige Lösung zeigte nur noch eine Viskosität von 20 mPas (Brookfield RVF, Spindel 4 bzw. 1 , 10 UpM, 20*C).100 g of a slightly pink-colored chitosan powder (residual moisture 10.3% by weight, viscosity of the 1% by weight aqueous solution at pH = 5: 3,500 mPas) and 27.5 g of water were placed in a flight shear mixer from Lödige 9 g of a 50% by weight hydrogen peroxide solution were added at a temperature of 55 ° C. The mixture was intensively mixed over a period of 90 min. A practically colorless product was then obtained. The 1% by weight aqueous solution only showed a viscosity of 20 mPas (Brookfield RVF, spindle 4 or 1, 10 rpm, 20 * C).
Beispiel 3Example 3
In Tabelle 1 ist eine typische Sprayrezeptur wiedergegeben; Prozentangaben als Gew.-%.A typical spray formulation is shown in Table 1; Percentages as% by weight.
Tabelle 1 SprayrezepturTable 1 Spray formulation