CZ287694B6 - Process for preparing starch-degrading products - Google Patents

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby produktů odbourávání škrobu s úzkým rozdělením molekulové hmotnosti štěpením škrobu nebo jeho derivátů.

Dosavadní stav techniky

Produkty odbourávání škrobu, obzvláště hydroxyethylový škrob (HES) jsou důležité v mnoha oborech lékařství, kde se jich používá převážně jako plasmaexpanderů, avšak i při dialyse (peritoneální dialyse).

Vedle toho se produkty odbourávání škrobu podávají dieteticky.

K výrobě HES se dosud používá jak hydrolyticky, tak amylázou odbouraných škrobů. Enzymatický způsob výroby je popsán například v německém patentovém spise číslo DE-C 33 13 600.

Při uvedených chemických nebo biochemických způsobech vznikají produkty se širokým rozdělením molekulové hmotnosti, se značným podílem nízkomolekulárních sloučenin, jako je glukóza, maitóza nebo jako jsou oligosacharidy, přičemž vedlejšími produkty jsou například chlorid sodný nebo použité enzymy. Tyto nežádoucí součásti se pak musí odstraňovat dalšími procesními operacemi, například vysrážením organickými rozpouštědly (acetonem, isopropanolem) nebo ultrafiltrací, což je jednak cenově náročné, jednak to snižuje výtěžek. Takové čisticí operace jsou však nutné, neboť je obvykle snahou získat produkt s co možno nejužším rozdělením molekulové hmotnosti a s vysokou čistotou.

Takový způsob je znám například z německého dokumentu číslo DE-A-41 32 701, při kterém se škroby, případně jejich deriváty, zpracovávají ve vodné směsi (v disperzích, v suspenzích nebo v roztocích) ultazvukem. Tím se má nastavit požadovaná střední molekulová hmotnost v závislosti na době zpracování a na intenzitě působícího ultrazvuku v požadované výši při velmi úzkém rozdělení molekulové hmotnosti a prakticky s vyloučením podílu nežádoucích nízkomolekulárních podílů.

Tento způsob je však technicky velmi náročný a je vedle toho spojen s vysokou spotřebou energie při štěpení škrobu.

Z německého dokumentu číslo DE-A-33 04 775 je znám způsob depolymerace polysacharidů, který je však použitelný pouze u roztoků polysacharidů se spirálovou strukturou, nikoli však u roztoků polysacharidů se strukturou jednotlivých řetězců nebo s agregovanou konformací. Nadto se ukázalo, že se depolymerace ultrazvukem nehodí pro průmyslové provádění depolymerace velkých dávek.

Podle zveřejněného dokumentu číslo WO 93/21008 se podrobuje škrob k modifikaci fyzikálních vlastností v komoře (s pístovým zařízením) působení jedné nebo několika náhlých tlakových změn. Tento způsob pracuje pomocí paskalizátoru. Přitom se působí pouze statickým tlakem na vzorek tekutiny. Při tomto způsobu se nedociluje snížení molekulové hmotnosti. Tento způsob se proto k získání produktu odbourávání škrobu s úzkým rozdělením molekulové hmotnosti nehodí.

Úkolem vynálezu tedy je poskytnout způsob shora zmíněného druhu, který je jednoduchý a potřebuje kromě toho relativně nepatrné energetické nároky při štěpení, a při kterém je po

- 1 CZ 287694 B6 možnosti zabráněno tvoření nežádoucích nízkomolekulárních podílů škrobu a produkty odbourání se získávají s co největším výtěžkem.

Podle vynálezu je tento úkol řešen tím, že se štěpení provádí vysokotlakou homogenizací.

Podstata vynálezu

Způsob výroby produktů odbourávání škrobu s úzkým rozdělením molekulové hmotnosti štěpením škrobu nebo jeho derivátů ve vodné disperzi, v suspenzi nebo v roztoku, podle vynálezu spočívá vtom, že se v nepřítomnosti enzymů nebo kyselin urychlujících štěpení škroby nebo deriváty škrobu ve vodné disperzi, suspenzi nebo ve vodném roztoku podrobují vysokotlaké homogenizaci za tlaku alespoň 50 až 200 MPa při teplotě 5 až 95 °C.

Oproti způsobu známého pracovníkům v oboru jako ultrazvuková technika, má způsob podle vynálezu tu výhodu, že se využívá do značné míry výroba emulzí nebo disperzí, která je tudíž v noha provozech již k disposici, takže investiční náklady jsou relativně nízké. Kromě toho je vysokotlaká homogenizace méně energeticky náročná než ultrazvuková technika.

Při způsobu podle vynálezu se k homogenizaci protlačuje tekutina vysokotlakými čerpadly přesným otevíracím ventilem. Potřebné tlaky (50 až > 200 MPa) a počet průchodů závisí přitom na cílové molekulové hmotnosti. Ve jmenovaném ventilu prochází škrob kavitační zónou s vysokou výkonovou hustotou, kde se působením velkých lokálních tahových, tlakových a smykových napětí vysokomolekulové řetězce rozrušují, případně rozlamují. Podle vynálezu vede uvedené zpracování k rozbití struktury dlouhých řetězců škrobu nebo jeho derivátů. Oproti způsobu popsanému v dokumentu číslo DE-A-33 04 775 má způsob podle vynálezu tu výhodu, že se mohou odbourávat s překvapením i polysacharidy s rozvětvenými řetězci bez spirální struktury, což u známého způsobu není možné.

Podle vynálezu je možno nastavit střední molekulovou hmotnost (střední hmotnost Mw) měněním působícího tlaku, počtu zpracování, teploty, koncentrace škrobu nebo jeho derivátů a hodnoty pH při úzkém rozdělení molekulových hmotností až k molekulovým hmotnostem 100 000 za nepřítomnosti nežádoucích nízkomolekulárních podílů. Nadto se dosahuje výtěžků až téměř 100 %.

Kromě toho nejsou při způsobu podle vynálezu nutné přísady kyselin, jak tomu je při kyselinovém hydrolytickém odbourávání, nebo enzymů v případě enzymatického odbourávání, takže jsou na minimální míru omezeny další čisticí operace jako je vysrážení organickými rozpouštědly nebo diafiltrace.

Jako výchozího materiálu se s výhodou používá škrobu, částečně hydro lyžovaného škrobu nebo jeho derivátů, přičemž škrob sestává z amylopektinu prostého amylosy případně chudého na amylosu (<5 % hmotn. amylosy). S výhodou se používá kukuřičného, rýžového a nebo čirokového škrobu.

Deriváty škrobu jsou částečně hydrolyzované škroby nebo další deriváty škrobu, například hydroxyalkylový nebo alkoxyalkylový derivát škrobu, obzvláště hydroxyethylderivát škrobu. Částečně hydrolyzované škroby lze získat kyselinovou hydrolyzou a/nebo enzymovou hydro lyzou.

Škrobů nebo jejich derivátů lze používat ve formě vodných disperzí, suspenzí nebo roztoků. Přitom se pod pojmem suspenze rozumí disperze nerozpustných škrobových částic, které nejsou koloidní. Roztoky obsahují rozpuštěný škrob, případně jeho derivát ve vodě. Jinak lze též používat koloidních směsí škrobu nebo jeho derivátu ve vodě, takové vodné roztoky mohou obsahovat po zmazovatění 5 až 40 % hmotn. škrobu nebo jeho derivátu, přičemž deriváty škrobu

-2CZ 287694 B6 mají mít minimální molekulovou hmotnost 200 000. Jinak lze použít 5 až 60% hmotn. vodných suspenzí škrobu nebo jeho derivátu.

Přitom mohou být deriváty škrobu, které byly předtím hydrolyticky nebo enzymaticky štěpeny, podrobeny vysokotlakové homogenizaci bez předběžné izolace ve vodné disperzi případně roztoku.

Vysokotlakou homogenizaci lze provádět známým způsobem a vhodnými obchodně dostupnými přístroji.

Podmínky vysokotlaké homogenizace jsou obvykle závislé na druhu výchozí látky, druhu reakční směsi a obzvláště na zamýšleném výsledku, který je dán požadovanou molekulovou hmotností konečného škrobového produktu.

Homogenizace se provádí obvykle při teplotě 5 až 95 °C, přičemž se dává přednost teplotě místnosti 20 °C.

Homogenizuje se za tlaku 50 až 200 MPa, přičemž se však mohou uplatnit též tlaky ležící nad hranicí 200 MPa.

Obvykle se po několika tlakových zpracováních (průchodech) ve vysokotlakém homogenizátoru dosáhne úrovně nasycení, která už nepokračuje. Přitom se pod průchodem rozumí jednorázové protlačení zkušební látky štěrbinou. Odbourání polymeru škrobu je tím silnější, čím vyšší je tlak, tedy s rostoucím tlakem se získají menší střední molekulové hmotnosti. Při tom je výhodou způsobu podle vynálezu, že se molekulová hmotnost dá nastavit oproti kyselinové hydrolýse, která se musí trvale sledovat měřením viskozity, poměrně snadno předem vyšetřeným počtem průchodů.

Tak je možno volbou podmínek poměrně snadno docílit střední cílové molekulové hmotnosti bez náročného sledování viskozity.

Produkty odbourávání škrobu, vyrobené podle vynálezu, mohou být s výhodou použity k výrobě etherovaného nebo esterovaného škrobu (HES případně acetylového škrobu) s vysokými výtěžky. Tyto produkty odbourávání škrobu (obzvláště HES) nacházejí použití v lékařství, obzvláště v oboru objemových náhradních prostředků.

Vynález se dále týká použití produktů odbourávání škrobu vyrobených podle vynálezu pro farmaceutické prostředky pro klinické, s výhodou parenterální aplikace. Dále lze používat produktů odbourávání škrobu, vyrobených podle vynálezu, také pro farmaceutické prostředky, které nacházejí použití při peritoneální dialýze nebo u náhradních prostředků krevní plasmy.

Pokud mají být produkty odbourání podle vynálezu zbaveny nízkomolekulárních součástí pocházejících z předchozích výrobních operací, mohou být přirozeně odstraněny o sobě známou diafiltrací vhodnou volbou membrán. Konečně mohou být produkty odbourávání škrobu, nacházející se obvykle v roztoku, převedeny i ve vysušeném stavu obvyklými postupy (koncentrací roztoku ve vakuu, případně lyofilizací a následným rozprašovacím sušením).

Vynález blíže objasňuje, nijak však neomezuje, následující příklad praktického provedení pomocí přiložených obrázků:

Přehled obrázků na výkresech

Na obr. 1 a 2 je znázorněn účinek vysokotlaké homogenizace k výrobě HES 450 (střední molekulová hmotnost = 450 000). Přitom je na obr. 1 znázorněn úbytek střední molekulové

-3CZ 287694 B6 hmotnosti (M_w v tisících na ose y) v závislosti na počtu průchodů (na ose x), zatímco na obr. 2 je znázorněno rozdělení molekulové hmotnosti při vylučovací chomatografii pomocí rozptylu světla na elučním objemu (střední hmotnosti) (na ose x je eluční objem v ml, na osy y je signál rozptylu).

Příklad provedení vynálezu

Částečně odbouraný kukuřičný škrob se střední molekulovou hmotností 1 689 000 se smíchá známým způsobem s ethylenoxidem na HES. Hmotnostně 15% roztok tohoto produktu HES v nevyčištěné formě se podrobí při teplotě 50 až 70 °C a při tlaku přibližně 160 MPa 10-násobné homogenizaci ve vysokotlakém homogenizátoru firmy APV-Gaulin, Lubeck. Po 10 průchodech je zjištěna molekulová hmotnost (střední hmotnost M_w) přibližně 670 000, jak je to znázorněno na obr. 1.

Průmyslová využitelnost

Způsob výroby produktů odbourávání škrobu s úzkým rozdělením molekulární hmotnosti štěpením škrobu nebo jeho derivátů, použitelných k výrobě farmaceutických prostředků ke klinickým, s výhodou parenterálním aplikacím, k peritoneální dialýse nebo k výrobě náhrad krevní plasmy.

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby produktů odbourávání škrobu s úzkým rozdělením molekulové hmotnosti štěpením škrobu nebo jeho derivátů ve vodné disperzi, v suspenzi nebo v roztoku, vyznačující se tí m , že se v nepřítomnosti enzymů nebo kyselin urychlujících štěpení škroby nebo deriváty škrobu ve vodné disperzi, suspenzi nebo ve vodném roztoku podrobují vysokotlaké homogenizaci za tlaku alespoň 50 až 200 MPa při teplotě 5 až 95 °C.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se vysokotlaká homogenizace provádí až do dosažení požadované střední molekulové hmotnosti M_w.
3. 3. Způsob podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že se používá jako derivátu škrobu částečně hydrolyzovaného škrobu získaného kyselinovou a/nebo enzymovou hydrolýzou, s výhodou se střední molekulovou hmotností > 200000.
4. 4. Způsob podle nároku 3, vy značuj ící se t í m , že se jako škrobu používá nativního škrobu, převážně amylopektinu.
5. 5. Způsob podle nároků 1 nebo 4, vyznačující se tím, že se používá zmazovatěním vyrobená vodná disperze nativního škrobu, s výhodou v množství hmotnostně 5 až 60 %.
6. 6. Způsob podle nároků 1 až 3,vyznačující se tím, že se používá vodné hmotnostně 5 až 40% disperze částečně hydrolyzovaného škrobu nebo částečně hydrolyzovaného škrobového derivátu.
7. 7. Způsob podle nároků 1 až 3 a 6, vyznačující se tím, že se podrobuje reakční směs, získaná po hydrolýze nebo zetherování, bez předběžné izolace reakčního produktu vysokotlaké homogenizaci.

   -4CZ 287694 B6
8. 8. Způsob podle nároků 1 až 7, vyznačující se t í m, že se homogenizace při teplotě místnosti 20 °C.
9. 9. Způsob podle nároků 1 až 8, vy z naČ u j í c í se t í m , že se 5 homogenizace za tlaku vyššího než 200 MPa.