SK281858B6 - Spôsob výroby degradačných produktov škrobu s úzkym rozložením molekulovej hmotnosti - Google Patents

Abstract

Spôsob výroby degradačných produktov škrobu s úzkym rozložením molekulovej hmotnosti spracovaním škrobu alebo derivátov škrobu pomocou vysokotlakovej homogenizácie vo vodnej disperzii, suspenzii alebo roztoku pri teplotách od 5 do 95 °C a tlaku 5 . 10exp(7) až 20 . 10exp(7) Pa alebo vyššom, bez prítomnosti enzýmov urýchľujúcich hydrolýzu.ŕ

Description

Vynález sa týka spôsobu výroby degradačných produktov škrobu s malou škálou rozdelenia molekulových hmotností štiepením škrobu alebo jeho derivátov.

Doterajší stav techniky

Produkty štiepenia škrobu, najmä hydroxyetyl-škroby (HES) zohrávajú dôležitú úlohu v mnohých oblastiach medicíny, kde sú používané najmä ako expandéry plazmy, ale tiež sa používajú pri dialýze (peritoneálnej dialýze).

Okrem toho sa produkty štiepenia škrobu podávajú tiež z dietetických dôvodov.

Na výrobu HES sa dosiaľ používali tak hydrolyticky, ako aj amylázou štiepené škroby. Enzymatický postup je uvedený napríklad v DE-C 33 13 600.

V doterajšom chemickom alebo biochemickom postupe vznikajú produkty so širšou škálou rozdelenia molekulových hmotností, so značným podielom nízkomolekulových zlúčenín, ako sú glukóza, maltóza alebo oligosacharidy, pričom ako vedľajšie produkty sa vyskytujú napríklad chlorid sodný alebo nasadené enzýmy.

Tieto nežiaduce zložky musia byť v ďalších krokoch odstránené, napríklad zrážaním organickými rozpúšťadlami (acetón, izopropanol) alebo ultrafiltráciou, čo je na jednej strane pomerne nákladné a na druhej strane znižuje výťažok. Čistiace operácie tohto typu sú však potrebné, pretože zvyčajne ide o snahu získať produkt s čo najmenšou distribúciou molekulových hmotností a s vysokým stupňom čistoty.

Takýto postup je známy z DE-A-4132701, kde škrob alebo deriváty škrobu sú vo vodnej zmesi (disperzie, suspenzie alebo roztoky) opracované ultrazvukom. Takto má byť požadovaná stredná molekulová hmotnosť nastaviteľná v závislosti od času opracovávania a intenzity pôsobenia ultrazvuku pri požadovanej výške pri veľmi úzkej škále distribúcie molekulových hmotností, pričom nežiaduce nízkomolekulové látky sa prakticky nevyskytujú.

Tento postup je však technicky veľmi náročný a z toho vyplýva vysoká spotreba energie pri štiepení škrobu.

V rámci DE-A-3304775 je známy postup depolymerizácie polysacharidov, ktorý je použiteľný iba pri roztokoch polysacharidov s helixovou štruktúrou, ale nie pri roztokoch polysacharidov so štruktúrou jednotlivých reťazcov alebo polysacharidov v agregovanej konformácii. Okrem toho sa ukázalo, že depolymerizácia ultrazvukom nie je vhodná v prípade priemyselne uskutočňovanej depolymerizácie väčších množstiev.

Podľa WO 93/21008 sa škrob podrobí modifikácii fyzikálnych vlastností v komore (piestovom zariadení) jednou alebo viacerými náhlymi zmenami tlaku. Tento postup prebieha s použitím paskalizátora. Pritom sa na vzorku alebo tekutinu vyvinie statický tlak. Pri takomto postupe sa nedocieli žiadne štiepenie molekulovej hmotnosti. Preto tento postup nie je vhodný na získanie degradačných produktov škrobu s úzkou škálou distribúcie molekulových hmotností.

Z toho vyplýva cieľ vynálezu, vyvinúť postup spomenutý v úvode, ktorý je technicky jednoduchý a pri štiepení vyžaduje relatívne nízku spotrebu energie, pričom sa maximálne zabráni tvorbe nežiaducich nízkomolekulových podielov škrobu a získajú sa degradačné produkty s čo najvyšším výťažkom.

Táto úloha sa podľa vynálezu vyrieši tým, že sa štiepenie uskutočni vysokotlakovou homogenizáciou.

Podstata vynálezu

Postup podľa vynálezu má oproti odborníkovi známej ultrazvukovej technike tú výhodu, že použitá technológia sa pri výrobe emulzií alebo disperzií mnohostranne využíva, a preto je k dispozícii vo väčšine prevádzok, takže investičné náklady sú relatívne nízke. Z toho dôvodu je vysokotlaková homogenizácia menej náročná na energiu ako ultrazvuková technika.

Podľa postupu uvedeného v tomto vynáleze na homogenizáciu sa tekutina pomocou vysokotlakových pumpových jednotiek pretlačí cez presný koncový ventil. Potrebné tlaky (5 . 10⁷ Pa až > 20 . 10⁷ Pa (500 až 2000 barov)) a počet prechodov závisí od konečnej molekulovej hmotnosti. V tomto ventile prebehne kavitačná zóna vyššej hustoty výkonu, pri ktorej sa vysokomolekulárne reťazce za pôsobenia väčšieho lokálneho ťahového, tlakového a šmykového napätia rozrušia, prípadne zničia. Podľa vynálezu vedie opísaný postup k rozkladu štruktúr škrobu alebo derivátov škrobu s dlhým reťazcom.

Na rozdiel od postupu podľa DE-A 3304775 má postup podľa vynálezu tú výhodu, že prekvapujúco môžu byť štiepené aj polysacharidy s rozvetvenými reťazcami bez helixovej štruktúry, k čomu pri známom postupe nedochádza.

Podľa vynálezu je možné nastaviť želanú strednú molekulovú hmotnosť zmenou nastaveného tlaku, počtu opracovávaní, teploty, koncentrácie škrobu alebo derivátov škrobu a hodnoty pH pri úzkej škále distribúcie molekulovej hmotnosti až po molekulové hmotnosti od 100 000 daltonov za neprítomnosti nežiaducich nízkomolekulových zložiek. Výsledkom sú výťažky takmer 100 %.

Okrem toho pri tomto postupe nie je potrebné pridávanie kyselín, ako je to v prípade hydrolytického štiepenia kyselinami, alebo pridávanie enzýmov v prípade enzymatického štiepenia, takže ďalšie čistiace kroky, ako zrážanie organickými rozpúšťadlami alebo diafiltráciou sú minimalizované.

Ako východisková látka sa používa najmä prírodný škrob, čiastočne hydrolyzovaný škrob alebo ich deriváty, pričom škrob pozostáva z amylopektímu bez amylózy alebo z amylopektínu s malým podielom amylózy (< 5 %). Ako škrob sa výhodne používa ryžový, kukuričný alebo cirokový škrob.

Derivátmi škrobu sú čiastočne hydrolyzované škroby alebo ďalšie deriváty škrobu, napríklad hydroxyalkyl- alebo alkoxyalkyl derivát škrobu, výhodne hydroxyetyl derivát škrobu. Čiastočne hydrolyzované škroby možno získať prostredníctvom hydrolýzy kyselinami alebo enzýmami.

Škroby alebo deriváty škrobov môžu byť použité vo forme vodných disperzií, suspenzii alebo roztokov. Pritom sa pod suspenziou rozumie disperzia nerozpustných častíc škrobu, ktoré nie sú koloidné. Roztoky v tomto prípade obsahujú rozpustené škroby alebo deriváty škrobov vo vode. Na druhej strane možno použiť aj koloidné zmesi škrobu alebo derivátov škrobu vo vode. Vodné roztoky tohto typu môžu po zmazovatení obsahovať 5 až 40 hmotn. % škrobu alebo derivátov škrobu, pričom majú vykazovať strednú molekulovú hmotnosť viac ako 200 000 daltonov. Možno tiež použiť 5 až 60 %-né vodné suspenzie škrobov alebo derivátov škrobu.

Deriváty škrobov, ktoré boli predtým hydrolyticky alebo enzymaticky štiepené bez predošlej izolácie vo vodnej disperzii, pripadne roztoku, môžu byť podrobené vysokotlakovej homogenizácii.

Vysokotlaková homogenizácia môže byť uskutočnená známym spôsobom vo vhodných prístrojoch bežne komerčne dostupných. Podmienky na homogenizáciu sú zvy čajne závislé od druhu východiskovej látky, druhu reakčnej zmesi a najmä od požiadavky, ktorú určuje stredná molekulová hmotnosť škrobového produktu.

Homogenizácia sa vykonáva zvyčajne pri teplote 5 až 95 °C, pričom je výhodná izbová teplota, asi 20 °C.

Homogenizácia sa vykonáva pri tlakoch 5 . 10⁷ až 20 . 10⁷ Pa (500 až 2000 barov), pričom sa môžu použiť aj tlaky vyššie ako hraničná hodnota tlaku 20 . 10⁷ Pa (2000 barov).

Zvyčajne sa po viacerých prechodoch vo vysokotlakovom homogenizátore dosiahne hladina nasýtenia, ktorá už nebude prekročená. Pod prechodom sa rozumie jednorazové pretlačenie použitej látky cez otvor. Štiepenie polymérov škrobu je o to väčšie, o čo vyšší je tlak, to znamená s rastúcim tlakom sa získajú menšie stredné molekulové hmotnosti. Výhodou postupu podľa vynálezu pritom je, že sa molekulová hmotnosť dá relatívne ľahko nastaviť s vopred určeným počtom prechodov, na rozdiel od hydrolýzy kyselinami, ktorá musí byť neustále viskozimetricky sledovaná.

Takto je voľbou podmienok relatívne ľahko možné získať výslednú strednú molekulovú hmotnosť bez nákladného sledovania viskozity.

Degradačné produkty škrobu vyrobené podľa postupu podľa vynálezu možno výhodne použiť na výrobu éteriflkovaných a esterifikovaných škrobov (HES prípadne acetylovaný škrob) s vysokými výťažkami. Tieto degradačné produkty škrobu (najmä HES) nachádzajú použitie v medicíne, najmä v oblasti prípravkov na náhradu objemu.

Degradačné produkty škrobu vyrobené postupom podľa vynálezu je možné použiť pri výrobe farmaceutických prípravkov na klinické, výhodne parenterálne použitie. Ďalej možno degradačné produkty škrobu vyrobené podľa uvedeného postupu použiť aj na farmaceutické prípravky, ktoré sa uplatňujú pri peritoneálnej dialýze, alebo ako náhrady krvnej plazmy.

Keďže vynájdené degradačné produkty majú byť zbavené nízkomolekulových zložiek, ktoré pochádzajú z predchádzajúcich krokov procesu, môžu sa samozrejme odstrániť pomocou známej diafiltrácie s vhodnou voľbou membrány. Nakoniec sa môžu degradačné produkty zvyčajne nachádzajúce sa v roztoku previesť do suchého stavu pomocou zvyčajného postupu (koncentrovaním roztoku vo vákuu, prípadne lyofilizáciou a konečným sušením vo vznose).

Prehľad obrázkov na výkresoch

Na obr. 1 a 2 je ukázaný účinok vysokotlakovej homogenizácie na výrobu HES 450 (stredná molekulová hmotnosť = 450 000 daltonov). Na obr. 1 je uvedené zníženie strednej molekulovej hmotnosti závislé od počtu prechodov, zatiaľ čo obr. 2 znázorňuje distribúciu molekulových hmotností pri vylučovacej chromatografii, pomocou rozptylu svetla cez elučný objem (prostredníctvom hmotnosti).

Príklady uskutočnenia vynálezu

Nasledujúci príklad je na objasnenie vynálezu.

Príklad

Čiastočne degradovaný voskovitý kukuričný škrob so strednou molekulovou hmotnosťou 2 689 000 daltonov reagoval známym spôsobom s etylénoxidom na HES. 15 % roztok tohto HES produktu v neprečistenej forme bol pri teplote asi 50 až 70 °C a tlaku asi 16 . 10⁷ Pa (1600 barov) celkovo 10-krát homogenizovaný vo vysokotlakovom homogenizátore firmy AVP Gaulin, Ltibeck. Po 10 prechodoch sa získa molekulová hmotnosť asi 670 300 daltonov, ako je to zrejmé z obr. 1.

Claims (8)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby degradačných produktov škrobu s úzkym rozložením molekulovej hmotnosti, vyznačujúci sa tým,že škrob alebo deriváty škrobu sú vystavené vysokotlakovej homogenizácii vo vodnej disperzii, suspenzii, alebo roztoku pri teplote v rozmedzí 5 až 95 °C a tlaku 5 . 10⁷ až 20.10⁷ Pa a viac, bez prítomnosti enzýmov urýchľujúcich hydrolýzu.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, v y z n a č u j ú c i sa t ý m , že vysokotlaková homogenizácia sa vykonáva opakovane, až kým sa nedosiahne požadovaná stredná molekulová hmotnosť M_w.
3. 3. Spôsob podľa nároku 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že ako deriváty škrobu sa použijú čiastočne hydrolyzované škroby, ktoré sa získajú hydrolýzou kyselinami a/alebo enzýmovou hydrolýzou, výhodne so strednou molekulovou hmotnosťou >200 000 daltonov.
4. 4. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa t ý m , že ako škroby sa použijú prírodné škroby, výhodne amylopektín.
5. 5. Spôsob podľa nároku 1 alebo 4, vyznačujúci sa tým, že sa použije mazovatením vyrobená vodná disperzia prírodných škrobov, výhodne 5 až 60 %-ná hmotn.
6. 6. Spôsob podľa nárokov 1 až 3, vyznačujúci sa tým,že sa použije 5 až 40 %-ná hmotn. vodná disperzia čiastočne hydrolyzovaného derivátu škrobu.
7. 7. Spôsob podľa jedného z nárokov laž3a 6, vyznačujúci sa tým, že sa reakčná zmes získaná po hydrolýze alebo éterifikácii je podrobená vysokotlakovej homogenizácii bez predchádzajúcej izolácie produktu reakcie.
8. 10. Spôsob podľa jedného z nárokov 1 až 7, vyznačujúci sa tým, že vysokotlaková homogenizácia sa vykoná pri izbovej teplote.