PFLANZLICHE HYDROKOLLOIDE ISOLIERT AUS DEN SAMEN DER PFLANZENFAMILIE i LAMIACEAE /i

Pflanzliche HydrokoUoide isoliert aus den Samen der Pflanzenfamilie Lamiaceae

Die Erfindung bezieht sich auf den Bereich der natürlichen HydrokoUoide und deren Verwendung.

HydrokoUoide sind oligomere oder polymere Verbindungen, die in geringen Konzentrationen relativ große Mengen an Wasser zu binden vermögen und werden deshalb auch als Nerdickungsmittel genannt. Die Eigenschaft von Hydrokolloiden das Wasser in großen Mengen zu binden wird vielfältig ausgenutzt, so dass HydrokoUoide in vielen technischen Bereichen zur Anwendung kommen, wie zB, beim Textildruck, in der Lebensmittelindustrie, beim Papierherstellungsverfahren, bei Ölbohrung, Bauindustrie, Pharmaindustrie, Lebensmittelindustrie etc.

HydrokoUoide können grob in zwei Klassen aufgeteilt werden, nämlich in viskositätsbildende HydrokoUoide und gelbildende HydrokoUoide, je nach der resultierenden Lösung, die aus der Mischung zwischen dem Hydrokolloid und Wasser entsteht. Die viskositätsbildenden HydrokoUoide bilden zähflüssige Lösungen, die keine feste Struktur aufweisen, während die gelbildenden HydrokoUoide mit Wasser Gele mit mehr oder weniger fester Struktur erzeugen. HydrokoUoide können entweder aus pflanzlichen oder tierischen Stoffen isoliert (natürliche HydrokoUoide) oder synthetisch hergestellt werden (synthetische HydrokoUoide).

Von natürlichen Vertretern sind als Produkte pflanzlicher Herkunft unter anderem viskositätsbildende HydrokoUoide aus dem Endosperm der Samen von Guarpflanzen, Johannisbrot oder Tamarindenbäumen zu nennen. Weiterhin gewinnt man gelierende

HydrokoUoide hauptsächlich aus den Extrakten von Rot- und Braunalgen (Carrageenane, Alginate und Agar). Manche HydrokoUoide wie zB Xanthan und Gellan werden auch fermentativ erzeugt. Ein weiteres Geliermittel ist Gelatine, die aus tierischem Collagen extrahiert wird. Synthetische HydrokoUoide sind zB Polyvinylalkohol, Polyacrylsäuren und Polyacrylate, sowie Cellulosederivate wie Methyl- und Carboxymethylcellulosen. Eine große Gruppe stellen Stärken mit einem sehr breiten Anwendungsbereich dar. Für besondere technische Anforderungen werden natürliche HydrokoUoide auch chemisch verändert, oder miteinander vermischt, um deren Eigenschaften, wie zB Löslichkeit, Erhöhung der Viskosität oder Gelstärke, Elastizität oder Synerese zu verbessern.

All bislang bekannten viskositätsbildenden, nicht gelierenden, natürlichen wie synthetischen Hydrokolloiden ist gemein, dass sie mit Wasser unendlich verdünnbar sind. Dies ist in vielen Fällen erwünscht, um eine Anpassung an die geforderten Eigenschaft zu erreichen. Es gibt jedoch Anwendungen, die zwar viskositätsbildende HydrokoUoide verlangen aber auch eine definierte Wasseraufhahme und anhaltende Bindung fordern, so dass eine weitere Verdünnung oder sogar Auswaschung des Hydrokolloids unerwünscht ist. Zudem sind die bekannten HydrokoUoide mehr oder weniger empfindlich gegen notwendigerweise vorhandene oder eingebrachte Chemikalien, sowie im sauren oder basischen Bereich oder höheren Temperaturen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, neue natürliche HydrokoUoide bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, HydrokoUoide bereitzustellen, deren Wasserbindevermögen auch in Gegenwart von Salzen und in einem breiten pH-Bereich im Wesentlichen nicht beeinflusst wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist HydrokoUoide verfügbar zu machen, die zwar eine viskose Lösung bilden, die aber durch die Zugabe von auch größeren Mengen an Wasser aus ihrem wasserbindendem Zustand nicht ausgewaschen werden können.

Die Aufgaben der Erfindung wurde durch die unabhängigen Ansprüche 1 und 7 gelöst.

Es wurde überraschenderweise gefunden, dass die erfindungsgemäßen HydrokoUoide sehr leicht aus den Samen der Pflanzenfamilie Lamiaceae isoliert werden können. Zur Familie Lamiaceae gehören unter anderem Pflanzen wie Salbei, Rosmarin, Thymian, Oregano, Basilikum, _. Minze. Besonders geeignete Pflanzengattung der Familie Lamiaceae ist die Pflanzengattung Ocimum, wobei am meisten geeignet sind die Pfanzenärten Ocimum gratissimum oder Ocimum sanctum. Während aus der gesamten Pflanze ätherische Öle mit teilweise guten antiseptischen Eigenschaften isoliert werden, dienen die Pflanzensamen der Gattungen Ocimum überwiegend zur Ölgewinnung, da die Öle einen höhen Gehalt an ungesättigten Fettsäuren aufweisen.

Die Pflanzensamen der Familie Lamiaceae, insbesondere der Gattung Ocimum ändern durch die Zugabe von Wasser sofort ihre Farbe von grau zu weiß. An der Oberfläche des Samens ist unter dem Mikroskop eine einzigartige pelzähnliche Tentakel-Struktur sichtbar, die offenbar für die hydrokolloiden charakteristischen Eigenschaften dieser Samen.verantwortlich ist. Die Begriffe wie "Pelz", "pelzähnliche Struktur", "Tentakel-Struktur" und "pelzige Tentakel-Struktur" werden nachstehend auswechselnd benutzt, um die auf der Oberfläche der Samen vorhandenen Naturstoffe mit hydrokolloiden Eigenschaften zu bezeichnen.) Die pelzige Tentakel-Struktur nimmt Wasser auf, und dient vermutlich dazu, Wurzel und Keimling während des Wachstums kontinuierlich mit Wasser zu versorgen.

Die pelzige Tentakel-Struktur ist in Fig. 1 dargestellt.

Die mikroskopischen Bilder der Samen der Pflanzenart Ocimum sanctum zeigen die pelzige Tentakel-Struktur 1, 2, 3 und 4 min nachdem Wasser zugegeben wurde (Fig. la, lb, lc und ld). Die Bilder machen deutlich mit welcher Geschwindigkeit Wasser in die pelzige Struktur aufgesogen wird.

Es wurde überraschend festgestellt, dass sowohl durch das Vermählen von ganzen Pflanzensamen als auch durch das Vermählen des entölten Ölkuchens eine Masse erhalten wird, die hervorragende einzigartige hydrokoUoide Eigenschaften aufweist. Daher umfassen erfindungsgemäße HydrokoUoide sowohl das aus den behandelten oder unbehalten Pflanzensamen hergestellte Mehl, als auch durch das erfindungsgemäße Verfahren isolierte Naturstoffe mit hydrokolloiden Eigenschaften. Das erfindungsgemäße Hydrokolloid weist einzigartige Eigenschaften auf, wie z. B. ein hohes Wasserfesthaltevermögen und darüber hinaus eine unerwartet hohe Stabilität unter extremen Bedingungen. Wie durch die Fig. 1 dargestellt, nimmt das Hydrokolloid innerhalb von wenigen Minuten eine vielfache Menge an Wasser auf und zwar unabhängig von gegebenenfalls vorhandenen Salzen. Die Kolloidlösung ist in einem breiten pH-Bereich von etwa 2 bis etwa 13 stabil, die Lösung lässt sich mit zusätzlichem Wasser nicht ohne weiteres verdünnen und weist eine unerwartete Stabilität gegen Mikroorganismen auf. Des Weiteren zeigen die aus dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid hergestellten Kolloidlösungen sowohl eine hohe Temperaturstabilität auf, als auch eine hohe Stabilität gegenüber starken Oxidationsmitteln, wie zB Wasserstoffperoxid.

Wie schon vorstehend erläutert, kann als das erfindungsgemäße Hydrokolloid sowohl der isolierte, hydrokoUoide Naturstoff als auch das Samenmehl der Familie Lamiaceae, insbesondere der Pflanzengattung Ocimum verwendet werden. Der Unterschied zwischen dem Samenmehl und dem isolierten Naturstoff in Bezug auf die hydrokolloiden Eigenschaften besteht lediglich darin, dass der isolierte Naturstoff erwartungsgemäß eine größere Menge an Wasser aufnehmen kann und einen definierten, höheren Reinheitsgrad aufweist. Der Naturstoff kann bis zu 200fache Menge an Wasser aufnehmen, während das Samenmehl die 8-50fache Menge an Wasser aufnehmen kann. Im Übrigen sind die hydrokolloiden Eigenschaften des Samenmehls und des isolierten hydrokolloiden Naturstoffes im Wesentlichen identisch.

Erfindungsgemäß lässt man die ganzen Samen im wässrigen Medium zuerst quellen. Die pH- Werte bzw. Temperatur können dabei im weiten Bereich variiert werden, um die Endeigenschaften des Endproduktes zu beeinflussen. Ein pH- Wert von etwa 12 bewirkt, dass das Endprodukt eine hohe Viskosität aufweist. Die herkömmlichen hydrolytischen Enzyme können auch zugesetzt werden, um die Verarbeitung zu erleichtern.

Nach der vollkommenen Quellung der Samen werden die Samen in einem Rührwerk weiterverarbeitet. Dabei wird das aus den Samen austretende Hydrokolloid abgetragen. Eine weitere Verdünnung mit Wasser bewirkt eine Verringerung der Viskosität und erhöht das Wasseraufnahmevermögen des Endprodukts. So kann das Wasseraufnahmevermögen von 1:8 auf 1 :200 erhöht werden.

Die so gewonnene Masse wird von den Samen getrennt, weiter gefiltert und durch alkoholische Fällung oder durch Pressung von Wasser befreit.

Anschließend erfolgt die endgültige Trocknung und Vermahlung des so gewonnenen Hydrokolloids. In einer anderen Ausführungsform wird das Hydrokolloid lediglich durch eine Vermahlung der Samen auf eine Korngröße von 20 bis 1200 μm hergestellt. Da die Pflanzen der Gattung Ocimum auch zur Ölgewinnung verwendet werden, könnte auch der verbleibende Ölkuchen durch abwechselnde Knet-, Vermähl- und Trocknungsvorgänge als Ausgangsmaterial zur Gewinnung des erfindungsgemäßen Hydrokolloids genommen werden. Die Erhöhung der Wasserbindeeigenschaften wird durch Vermischen mit Wasser und anschließend Knetprozessen, Trocknung und Vermahlung erreicht.

Das erfindungsgemäße Hydrokolloid eignet sich besonders gut beispielsweise für die folgenden Bereiche: für den Pharmabereich, für den Agrarbereich, für den Abwasserbereich, zur Bindung von flüssigen Explosiven, für die Textilindustrie, in der Papierindustrie, für Kosmetika oder für die Nahrungsmittelindustrie, in der Bauindustrie etc.

Das erfindungsgemäße Hydrokolloid kann in der Pharmaindustrie in vielfältiger Form eingesetzt werden, wie zB zur Herstellung von Kapseln für Arzneimittel als Drug-Delivery- Systeme für zu verabreichende Arzneimittel oder als Depotmittel für parenterale Applikation.

Für gewisse Anwendungen können statt Wasser auch wässrige Lösungen verwendet werden, die unterschiedlichste Chemikalien enthalten. Wie oben erörtert, ist das Wasserbindevermögen des Hydrokolloids nicht abhängig von den anwesenden Salzen oder anderen Chemikalien. Das Wasserbindevermögen des erfindungsgemäßen Hydrokolloids bleibt sogar bei der 20% Kochsalzlösung erhalten. Die salzhaltigen Kolloidlösungen des erfindungsgemäßen Hydrokolloids können daher zur Aufnahme oder Lagerung und Speicherung von zum Beispiel Blut, Plasma oder anderen Körperflüssigkeiten verwendet werden. Des Weiteren können wegen der Stabilität der erfindungsgemäßen Kolloidlösungen in einem breiten pH-Bereich auch Lösungen anderer Chemikalien hergestellt werden. Diese KoUoidlösungen können dann für die Lagerungen von gefährlichen, ätzenden oder giftigen Chemikalien in einer Form verwendet werden, die einerseits als Lösung gehandhabt werden kann und andererseits alle Vorteile einer festen Phase aufweist.

Des Weiteren lassen sich sehr leicht Baustoffe als vorübergehend tragende Bauelemente herstellen. Die Trockenmasse aus Hydrokolloid und Wasser ist leicht und fest, so dass sich nach Einsatz von Hitzeabtrocknung des Wasserentfernens und nach Verbleib des extrem leichten netzartigen Bauelements ein maximaler Trockensubstanzwert von 4 % herstellen lässt. Solche Bauelemente sind auch nach der Trocknung stabil und atmungsfähig, so dass verbunden mit der schon erwähnten Stabilität gegenüber Mikrobenbefall, derartige Bauelemente als ideale natürliche Dämm- und Isolierstoffe einsetzbar sind.

Aus Folien, die das erfindungsgemäße Hydrokolloid enthalten, lassen sich Systeme zum Filtrieren und Aufbereiten von Wasser herstellen. Solche Folien speichern Schwermetalle auf und können daher als Filtersysteme verwendet werden. Es wurde aber festgestellt, dass die Zugabe des Samenmehls als Flockungsmittel organische Verbindungen und Schwermetalle aus Wasser entfernt werden können.

Das erfindungsgemäße Hydrokolloid kann auch bei der Papierherstellung eingesetzt werden, beispielsweise zur Erhöhung der Reißfestigkeit von Papier oder zur Verbesserung des Filmbaus der Papierstreichmassen.

Das erfindungsgemäße Hydrokolloid kann in der Landwirtschaft verwendet werden, wenn das Kolloid mit Wasser und/oder Düngemitteln gemischt wird und daher als Wasserspeicher oder Dünger für Pflanzen verwendet wird. Auch weitere Wirkstoffe, die im Agrarbereich verwendet werden, können dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid zugesetzt werden, beispielsweise Phosphate, Pestizide, Fungizide, Herbizide, Konservierungsstoffe und anionische, kationische oder nichtionische Tenside.

Die ungewöhnliche hohe Stabilität des aus dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid und einer wässrigen Lösung hergestellten Wasserspeichers ermöglicht eine Wasserverweilzeit von bis zu einem Jahr. Damit steht mit dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid ein System zur Verfügung, dass es in idealer Weise ermöglicht, in regenarmen Gebieten erheblich verbesserten und effizienten Anbau von emährungs- und umweltrelevanten Pflanzenkulturen vorzunehmen. Der besondere Vorteil des so hergestellten Produkts liegt zudem darin, dass die herkömmlichen Produkte erhebliche Zeit brauchen um ihre maximale Wasserbeladung zu erreichen, während das erfindungsgemäß hergestellte Produkt binnen Minuten Wasser aufnimmt und sehr langsam das so aufgenommene Wasser abgibt. Die gegebene biologische Abbaubarkeit des Produkts ist ein weiterer Vorteil gegenüber synthetischen hydrokolloiden Produkten, die für solche Anwendung bereits eingesetzten werden. In einer weiteren Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Hydrokolloid mit einem wassermischbaren Lösungsmittel, insbesondere mit Alkohol, Aceton oder DMSO eingesetzt. Darüber hinaus kann auch die Mischung aus den vorstehend genannten organischen Lösungsmitteln mit Wasser eingesetzt werden.

Die bevorzugte Menge an Hydrokolloid ist abhängig von der Reinheit, der Form und dem Anwendungszweck des zu verwendenden Hydrokolloids. Das erfindungsgemäße Hydrokolloid kann als alleine bindende Komponente oder als Mischung mit anderen bekannten natürlichen oder synthetischen Hydrokolloiden verwendet werden. Die besonders geeigneten bekannten HydrokoUoide, die dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid zugesetzt werden können, sind beispielsweise Agar, Pektine, Gelatine, Guar, Alginate, Carageenan, Johanissbrotkernmehl, Gummi arabicum, Xanthan, Tara, Konjak, Cassia, Stärken, Bentonit, Siliciumdioxid, PVA, Polyacrylate etc. Das Verhältnis zwischen dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid und den bekannten Hydrokolloiden kann in breiten Bereichen von 1:99 bis 99:1 variiert werden, je nach dem, welche Eigenschaften für die herzustellende Lösung gewünscht sind.

Die Menge des gesamten Hydrokolloids kann beispielsweise zwischen etwa 0,05 bis etwa 10 Gew.% liegen, wobei der Bereich von etwa 0,1 bis etwa 4 %, wobei der Bereich von 0,5 bis 2% besonders bevorzugt ist. Falls das erfindungsgemäße Hydrokolloid zur Herstellung von zum Beispiel, pharmazeutischen Kapseln verwendet werden soll, kann die Menge des Hydrokolloids auch erheblich höher sein. Wenn aber dünnflüssige KoUoidlösungen gewünscht sind, kann die Menge des Hydrokolloids auch unter 0,1% liegen. Die Mischungen mit weniger als 0,1% des Hydrokolloids sind bei der Herstellung von Lebensmitteln wie zum Beispiel Joghurt oder Eiscreme bevorzugt.

Die Erfindung wird nun anhand der Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Isolierung des hydrokolloiden Naturstoffs aus der Pflanzengattung Ocimum

50 g der Samen der Pflanzenart Ocimum gratissimum werden mit 500 ml Wasser versetzt und ■ nach einer Quellzeit von 20 min wird die Mischung mit einem Rührwerk bei 1000 U/min 3 min gerührt. Es werden weitere 500 ml Wasser zugegeben und wiederum 3 min bei 1000 U/min gerührt. Von den Samen löst sich der "Pelz" allmählich ab und die Lösung wird deutlich viskoser. Nach einer weiteren Zugabe von 500 ml Wasser und 5 min langem Rühren, ist die- Ablösung des Pelzes ausreichend.

Die so gewonnene Lösung wird in einer Schraubenpresse von den Kernen getrennt, anschHeßend in einer Filterzentrifuge von den Samen befreit, getrocknet und vermählen.

Beispiel 2

Herstellung eines Hydrokolloids aus den Samen der Pflanze Ocimum sratissimum

Der trockene Ölkuchen der Pflanze Ocimum gratissimum wird in einer Labormühle auf eine Korngröße von etwa 30 bis etwa 500 μm vermählen.

10 g dieses Mehles werden in ein Becherglas gegeben und mit 100 ml Wasser versetzt. Nach einer Quellzeit von 10 min wird diese Mischung mit einem Rührgerät 2 min bei 1000 U/min geknetet. Das Wasser wird dabei voll gebunden.

Nach der Trocknung wird das Material wieder zu einem Pulver auf eine Korngröße von etwa 30 bis etwa 500 μm vermählen.

Die wertvollen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Hydrokolloids werden durch die folgenden Vergleichsbeispiele verdeutlicht.

Nergleichsbeispiel 1

Guarmehl vermählen auf eine Korngröße von etwa 75 μm und das durch Beispiel 2 hergestellte Samenmehl der Pflanze Ocimum gratissimum werden auf ihr Vermögen zur Entfernung von o-Νitrotoluol (Konzentration 200 mg/1) unter üblichen Bedingungen untersucht. Das Guarmehl wird herkömmlich dazu verwendet, die Schadstoffe aus Wasser zu entfernen. Während durch die Zugabe vom Guarmehl lediglich ca. 40% von o-Nitrotoluol entfernt werden kann, bewirkt die Zugabe von der gleichen Menge des Samenmehls, hergestellt aus den Samen der Pflanzenart Ocimum gratissimum, eine Verminderung des o-Nitrotoluols um ca. 60%. Das bedeutet, dass das Samenmehl aus den Samen der Pflanzengattung Ocimum ca. 50%o wirksamer ist als das Guarmehl.

Vergleichbeispie! 2

Sand wird einerseits mit einer Menge von 0,5/1,0/2,0 und 4,0 Vol.% des Samenmehls der Pflanze Ocimum gratissimum und andererseits mit 2 Vol.% des herkömmlich verwendeten Polyacrylamid/Polyacrylsäure-Produkts vermischt. Die Pflanzen der Gattung Helianthus, die mit dem erfindungsgemäßen Samenmehl behandelt werden, benötigen einen deutlich längeren Zeitraum, bis eine Wiederbewässerung erfolgen muss schon bei einer Dosierung von 1,0 Vol.% des erfindungsgemäßem Hydrokolloids. Des weiteren ist die Biomasse deutlich höher wenn das erfmdungsgemäße Hydrokolloid verwendet wird.

Vergleichbeispiel 3

1,5 Gew.% des Samenmehls der Pflanze Ocimum gratissimum wurde dem Sand mit einer Korngröße von maximal 1 mm zugegeben. Das Wasseraufnahmevermögen des Sands mit dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid wurde verdoppelt gegenüber Sand ohne erfindungsgemäßes Hydrokolloid.

Nach 18 Stunden Raumtemperatur und 4 h Stunden Sonneneinstrahlung wies die Probe mit dem erfindungsgemäßen Hydrokolloid noch einen Restwassergehalt von 40% auf. Die Probe mit Sand ohne erfindungsgemäßes Hydrokolloid war im selben Zeitraum ausgetrocknet.