Brevet FR2458589A1 — publié le 19810102

La présente invention concerne la prépara- tion de gomme xanthane exempte de cellulase. La gomme xanthane s'est révélée utile dans_ un nombre de plus en plus grand d'applications dans les domaines alimentaire et industriel. Cela est vrai surtout à propos de l'utilisation de la gomme isolément, mais aussi en combinaison avec d'autres ingrédients ac- tifs. Dans de nombreux cas de ce genre, on a observé des effets synergiques qui rendent des mélanges parti- culiers de gomme spécialement utiles pour certaines o- pérations. Une limitation pour d'autres applications a été la présence de l'enzyme cellulase dans la gomme xanthane produite normalement. Cette enzyme limite l'utilisation pratique de la gomme xanthane en combinai- son avec la cellulose ou des composés cellulosiques tels que la carboxyméthylcellulose et l'hydroxyméthylcellulose. Dans le passé, les tentatives en vue d'éli- miner la cellulase de la gomme xanthane ont compris 1) le traitement de la bière de fermentation par des compo- sés mercuriels à température élevée, 2) le traitement de tourteaux de gomme xanthane par l'oxyde de propylène et 3) le chauffage de bière de xanthane à pH élevé à 930C environ, suivi d'un refroidissement et d'une neu- tralisation. Cette dernière technique n'est pas tou- jours sûre et de plus entraîne une perte de produit de % environ. Le brevet des E.U.A. N0 3 516 983 décrit un procédé pour éliminer les impuretés du type protéique de la bière de xanthane en traitant cette bière par des hypochlorites de métaux alcalins à température élevée, avec ensuite acidification et précipitation par un alcool inférieur. On a maintenant trouvé que l'on peut obte- nir une gomme xanthane exempte de cellulase en traitant la bière de gomme xanthane par un hypochlorite de métal alcalin à un niveau initial de 0,08% à 0,1% en poids. A un pH de 6,0 à 7,0, le pH de traitement dure 6 à 8 heures à 30 C environ. Il est préférable de chauffer ensuite cette bière traitée à 8595 C pendant plusieurs minutes. Ce traitement est suivi d'un recueil de la gomme exempte d'enzyme comme par-précipitation par un alcool inférieur, séchage et broyage. Ce procédé est économique, simple et sûr. De plus, il n'exige pas de neutralisation et ne cause pas les modifications rhéologiques observées avec les procédés antérieurs pour l'obtention d'une gomme xan- thane exempte de cellulase comme dans le brevet des E.U.A. N 4 070 535. On appelle gomme xanthane la gomme produite de manière extra-cellulaire par la bactérie productrice d'hétéropolysaccharide Xanthomonas campestris par la fermentation de culture totale d'un milieu comprenant un hydrate de carbone fermentable, une source d'azote et d'autres substances nutritives appropriées. Des procédés pour la production de gomme xanthane sont bien connus (voir par exemple le brevet des EoU.A. N 3 433 708). La bière de gomme xanthane, qui est un produit disponible dans le commerce, est le contenu après fermentation de cuves de fermentation de xan- thane avant recueil de la gomme. Les meilleures informations dont on dis- pose actuellement suggèrent que la gomme xanthane a la formule: Z458589 e1 OQMO OH C _ dans laquelle M$est Na+, K+ ou 1/2 Ca Les estimations concernant la masse molé- culaire vont de 2 à 50 millions. L'organisme Xanthomo- nas produit cette gomme sous la forme d'un acide qui est ensuite transformé en un sel dans le fermenteur, les rapports Na+:K+:Ca++ dans la gomme recueillie dépendant des conditions dans le milieu de fermenta- tion. Comme indiqué ci-dessus, la production de la forme acide de gomme xanthane par Xanthomonas cam- pestris, NRRL B-1459, dans diverses conditions de fermentation est bien connue. Laparticularité de la présente invention concerne le traitement après fermentation de la bière de gomme xanthane par un hy- pochlorite de métal alcalin, qui est indépendant du processus biosynthétique de production de la forme acide de gomme xanthane par l'organisme Xanthomonas. Une souche mutante spéciale de X. campestris est con- nue de la demanderesse comme produisant la forme a- cide de gomme xanthane avec des rendements un peu t2458589 plus élevés que B-1459. Il sera évident pour l'homme de l'art que l'on pourrait utiliser soit B-1459 soit cette souche mutante spéciale dans la mise en oeuvre de la présente invention. Comme le rôle du micro-orga- nisme est seulement de produire la forme acide de gomme xanthane, la disponibilité de cette souche mutan- te n'est pas importante pour la mise en oeuvre de la présente invention. Dans le procédé selon la présente invention, la bière de xanthane est traitée par un acide quelcon- que, de préférence H2S04, ou par une base quelconque, de préférence NaOH, selon ce qui est nécessaire pour régler le pH à un niveau de 6,0 à 7,0. Cet intervalle de pH est recommandé pour la conservation de l'hypochlo- rite. Bien que le procédé puisse être mis en oeuvre dans l'intervalle de pH de 3,0 à 10,0, après le trai- tement par l'hypochlorite, mais avant le chauffage, on règle le pH à un niveau de 5,0 à 7,0 de manière que le produit final recueilli ait un pH de 6,0 à 8,0, ce qui est le pH préféré. Quand le-niveau approprié de pH est atteint, on mélange dans la bière un hypochlorite de métal al- calin, tel que KClO ou LiClO, mais de préférence NaClO, à une concentration finale en NaClO de 0,08-0,1% en poids. (Un autre procédé consisterait à faire barboter du chlore gazeux dans la bière à un pH supérieur à 8). Comme NaClO est un agent oxydant, des proportions supé- rieures à 0,1% ne sont pas recommandées. Des propor- tions de NaClO inférieures à 0,08% ne détruisent pas complètement l'enzyme. On laisse reposer ce mélange à 30 C 2 C jusqu'à ce que la proportion d'hypochlo- rite soit inférieure à environ 0,03%, mais de préfé- rence inférieure à 0,02%. Pour des mélanges ayant des teneurs initiales en hypochlorite de 0,08% à un pH de 6,0 à 8,0, cela se produit en 6-8 heures environ. On peut commencer le traitement thermique quand la teneur en hypochlorite est inférieure à environ 0,03%, de préférence à environ 0,02%. Cette teneur est dé- terminée conformément à la méthode d'essai I. Méthode d'essai I Procédé pour la détermination de l'hypochlorite dans la bière de fermentation A. Réactifs 1. Iodure de potassium à 20%. 20 g de KI de la qualite reactif pour 80 cm3 d'eau distillée. 2. Acide sulfurique 5N. 13,9 cm3 de H2S04 concentré pour 100 cm3 d'eau distillée. 3. Thiosulfate de sodium 0,IN. 15,8 g de Na2S203 de la qualité réactif (anhydre) pour 1000 cm3. 4. Décolorant. Hypochlorite à 5,25%. B. Détermination du % de 0C1- dans une solution concen- trée de décolorant On introduit à la pipette 5 cm3 de la solu- tion de décolorant dans un bécher. On ajoute 100 cm3 d'eau D.I. On ajoute 10 cm3 de KI à 20% et 10 cm3 de H2S04 5N. On titre la solution à un point final incolo- re avec 0,1N NaS203. % oC1- - (0,1N)x Volume de solution de thiosulfate (cm3) (5 cm3) ( 10) 37,25* % 0C1 = 0,0745 x Volume de solution de thiosulfate (cm3) C. Détermination du % de 0C1- dans une bière de fermen- tation 1. On prépare une solution à 0,08% (0,0107M, 0,0214N) d'hypochlorite de sodium par dilution d'une so- lution de décolorant (par exemple Sunnysol). On dilue un échantillon de 50 cm3 avec 200 cm3 d'eau D.I. 2. On ajoute 10 cm3 de KI à 200/o et 10 cm3 de 5N H2S04. 3. On titre cette solution avec une solu- tion de O,-1N de Na2S203 à un point final incolore. On note le résultat (volume A). Le volume théorique est de 10,7 cm3. 4. On règle la solution de bière à la te- neur initiale requise en hypochlorite (par exemple 0,03% à 0,08%, etc.). 5. A des échantillons (50 g), on ajoute 200 cm3 d'eau D.I. en agitant, 10 cm3 de KI à 20% et cm3 de 5N H2S04. 6. On titre avec 0,1N Na2S203 (volume B), la couleur passant du brun (couleur de l'iode) au blanc. D. Calculs % OCl- = x 0,08% Quand la teneur initiale en hypochlorite est supérieure à 0,1% environ, des temps extrêmement longs sont nécessaires pour que l'on obtienne des teneurs inférieures à 0,02%, durant lesquels il se produit une oxydation de la gomme xanthane elle-même. De même, si le traitement thermique est effectué quand la teneur en hypochlorite est supérieure à 0,03% en- viron, une oxydation de la gomme se produit. Quand la teneur en hypochlorite atteint le niveau de 0,02%, on chauffe la bière à 85-95 C pendant une période de 2 à 10 minutes, après quoi on peut mettre en oeuvre les procédés normaux de re- vueil, comme à partir d'un alcool inférieur,avec séchage, broyage, etc. La destruction de l'enzyme est sensiblement complète après le traitement par NaClO, toutefois le traitement thermique assure cette destruction complète. Une gomme peut être soumise * poids équivalent de NaOCl à une détermination de l'activité de cellulase con- formément à la méthode d'essai II. Méthode d'essai II Détermination de la présence de cellulase 1. Préparation d'une solution de substrat HEC(1) On prépare un tampon citrate en dissol- vant 5,25 g d'acide citrique dans 50 cm3 de 1 N NaOH et en diluant cette solution à un volume de 250 cm Pour préparer 2 litres de la solution de substrat HEC, on ajoute 32 cm3 de 0,1 N NaOH et 48 cm3 du tampon citrate à 1920 cm3 d'eau distillée. On chauffe cette solution et, tout en la chauffant, on y ajoute et on y mélange 4 g de Dowicil 100. Quand cette solution est chaude (70-80C), on ajoute 40 g de HEC (OP4400) et on mélange énergiquement avec un appareil "Lightnin Mixer". On abandonne ensuite cet- te solution (habituellement toute une nuit) de maniè- re qu'elle refroidisse et que les bulles d'air puis- sent monter. On doit prendre toutes précautions pour empêcher une contamination de cette solution par des substances positives en ce qui concerne la cellulase. 2. On prépare dans l'eau distillée des solutions à 1% de tous les échantillons de gomme à essayer ainsi qu'une solution à 1% d'un échantillon connu positif en ce qui concerne la cellulase. 3. On prépare les flacons en matière plastique à bouchon vissé en les lavant bien dans l'eau chaude et en les rinçant à l'eau distillée. On essuie ensuite les flacons pour les sécher. 4. On prépare des témoins négatifs en ajoutant 120 cm3 de la solution de HEC dans deux des flacons en matière plastique. On prépare les échantillons d'es- sai en ajoutant 30 cm3 de la solution de gomme à cm3 de la solution de HEC. On mélange l'ensemble dans un "Lightnin Mixer". La palette d'agitation doit être soigneusement nettoyée après chaque échantillon pour éviter une contamination. On prépare le témoin positif en ajoutant 30 cm3 de la solution positive en ce qui concerne la cellulase à 90 cm3 de la solution de BEC et en mélangeant. Le témoin positif est toujours préparé le dernier. Tous les échantillons sont pré- parés en double. 5. On mesure la température du flacon contenant le té- moin négatif. 6. On mesure la viscosité et le pH de tous les échan- tillons. On doit toujours effectuer les mesures d'a- bord pour le témoin négatif et ensuite pour les échan- tillons d'essai. Les mesures pour le témoin positif sont toujours effectuées les dernières. Toutes les surfaces, y compris celles des sondes à pH, des spatules et des rotors Brookfield doi- vent être nettoyées avec soin pour chaque échantillon de manière à empêcher une contamination croisée. On mesure la viscosité à 60 tpm en utilisant le rotor NI 4 et on agite doucement chaque échantillon avec une spatule avant de mesurer la viscosité. 7. Après avoir mesuré la viscosité des échantillons, on visse les bouchons et on met les flacons à incuber à 43-440C pendant quatre jours. Des mesures de vis- cosité et de pH doivent être effectuées au moins deux fois durant cette période, de préférence le 2ème et le 4ème jour. Quand on effectue ces mesures, on refroidit les échantillons à la température notée pour le témoin négatif avant les mesures. Cela est important parce que la viscosité de HEC est très sen- sible à la température. 8. Au bout de quatre jours, on interprète les résul- tats comme suit. Si la viscosité moyenne d'un échan- (1) Hydroxyéthyl cellulose - Union Carbide 2458S89 tillon d'essai diminue de plus de 7% par rapport à la viscosité moyenne du témoin négatif, l'échantillon est considéré comme positif en ce qui concerne la cellulase. Si la viscosité de l'échantillon est éga- le à celle du témoin négatif ou si la diminution de viscosité est inférieure à 7%, alors l'échantillon est considéré comme négatif en ce qui concerne la cellulase. La gomme xanthane exempte de cellulase produite par le procédé selon la présente invention est utile comme agent de modification de la rhéolo- gie dans des produits alimentaires et non-alimen- taires, isolément ou en combinaison avec d'autres composés, spécialement avec d'autres gommes. Un point particulièrement important est que cette gomme exemp- te de cellulase peut être combinée avec des composés cellulosiques, en particulier avec la carboxyméthyl- cellulose pour former des mélanges stables. Un tel mélange serait utile comme pâte dentifrice. L'invention est encore décrite dans les exemples suivants, qui doivent être considérés comme des illustrations et ne sont nullement limitatifs. Exemple 1 Bière non traitée thermiquement Une quantité de 800 cm3 de bière de gomme xanthane ayant une viscosité de 5750 CPo est traitée avec 0,1% de NaClO (0,66% de Sunny Sol, une solution à 15% de NaClO) pendant 3 heures. On précipite la gomme xanthane à partir d'une portion aliquote de 400 cm3 de la bière traitée et elle ne présente pas d'activité en ce qui concerne la cellulase. Bien que ce traitement donne une gomme xanthane exempte de cellulase, le produit est insta- ble en raison des hautes teneurs en hypochlorite ré- siduel. Une période de 6 à 8 heures est nécessaire pour réduire l'hypochlorite résiduel à la proportion préférée de 0,02%. Exemple 2 Traitement par 0,08% d'hypochlorite et par la chaleur Une solution d'hypochlorite de sodium (5,25%, 19,6 g) est ajoutée à trois échantillons de bière de fermentation de xanthane (1233 g) à 30 C. La proportion initiale de traitement est de 0,08% d'hypochlorite. Le pH de ces échantillons est réglé à 5, 6 et 7 avec 5 N H2S04. Après 5,5 heures à la température ambiante, on contrôle les teneurs en hy- pochlorite. Les calculs montrent que les teneurs en hypochlorite tombent à 0,020, 0,017 et 0,016%, res- pectivement. Après environ six heures de stockage, les échantillons sont chauffés à 90 C. Les échantil- lons sont précipités avec de l'alcool (2,5 volumes), séchés et broyés. On détermine l'activité de cellulase de ces échantillons en utilisant la méthode d'essai II (Kalco). Tous les échantillons sont exempts de cel- lulase, comme montré dans le Tableau 1. Les viscosi- tés sont mesurées sur un viscosimètre Brookfield LVF, tpm, rotor 4. Il y a lieu de noter que l'accrois- sement de viscosité pour certains échantillons est prévisible, indiquant que l'hydratation a continué durant les 6 heures de stockage. TABLEAU 1 Résultats des essais concernant la cellulase Viscosité (cPo) Témoin négatif en HEC A B Initiale Finale % de changement +1 +6 % moyen de changement +3,5 Echantillon pH 5 Echantillon pH 6 Echantillon pH 7 A B A B A B +2 -4 +3 -3 +1 +1 -2 +1 -M iA oe A CD O Exemple 3 Traitement par 0,1% d'hypochlorite et par la chaleur Un lot de bière de fermentation de gomme xanthane est produit dans un fermenteur de 3 785 li- tres. Le pH de la bière est de 6,5 environ. On mé- lange une solution d'hypochlorite de sodium dans la bière à une teneur finale en NaClO de 0,1% en poids. On laisse reposer le mélange pendant 6 heures à 30-31 C. A ce moment, la teneur en NaClO est d'environ 0,03%. La bière ayant réagi est traitée thermiquement à -95 C pendant 10-12 minutes. On recueille la gom- me xanthane par précipitation en utilisant de l'al- cool isopropylique, avec ensuite séchage et broyage. Les résultats de déterminations de l'activité de cellulase dans la gomme sont présentés dans le Tableau 2. Le témoin positif utilise de la gomme xanthane normale. TABLEAU 2 Résultats d'essais concernant la cellulase Echantil- lon Viscosité initiale (cPo) Essai 1 Viscosité finale (cPo) 3800. Perte de viscosité (%) C0 c O c;0 Essai 2 Viscosité initiale (cPo) Viscosité Perte de finale viscosité (cPo) (%) Exemple 4 Composition de pâte dentifrice La gomme xanthane exempte de selon la présente invention est utilisée composition de pâte dentifrice suivante: Ingrédients Gomme xanthane exempte de cellulase Sorbitol Dihydrate de phosphate dicalcique CMC (viscosité moyenne) Laurylsulfate de sodium Saccharine Aromatisant Eau cellulase dans la Quantité (g) 0,50 12,50 ,00 0,50 1,50 0,15 1,00 26,35 (cm3) ,00 REVENDICATIONS 1) Un procédé pour la production de gomme xanthane exempte de cellulase, caractérisé en ce qu'on fait réagir de la bière de gomme xanthane avec un hypo- chlorite de métal alcalin. 2) Un procédé selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'hypochlorite est de l'hypochlorite de sodium. 3) Un procédé selon la revendication 2, carac- térisé en ce que la proportion initiale d'hypochlorite est comprise entre 0,08 et 0,1% en poids. 4) Un procédé selon la revendication 3, carac- térisé en ce que le pH de la bière est compris entre 6,0 environ et 7,0 environ et que la durée de réaction est comprise entre 6 et 8 heures. ) Un procédé selon la revendication 4, carac- térisé en ce que la température de la bière est de C environ. 6) Un procédé pour la production de gomme xanthane exempte de cellulase, caractérisé en ce que: a) on fait réagir de la bière de gomme xanthane avec un hypochlorite de métal alcalin et b) on chauffe le produit de l'étape (a) à 85-95 C pendant 2 à 10 minutes. 7) Un procédé selon la revendication térisé en ce que la teneur en hypochlorite du de l'étape (a) est inférieure à 0,03%. 8) Un procédé selon la revendication ractérisé en ce que la teneur en hypochlorite duit de l'étape (a) est inférieure à 0,02%. 6, carac- produit 7, ca- du pro- 9) Un procédé selon la revendication 6, carac- térisé en ce que c) on purifie le produit de l'étape (b) par précipitation par un alcool inférieur, séchage et bro- yage. ) Un procédé pour la production de gomme xan- thane exempte de cellulase, caractérisé en ce que: a) on fait réagir de la bière de gomme xanthane à un pH de 6,0 à 7,0 avec 0,08 à 0,1% en poids d'hypochlorite de sodium pendant 6 à 8 heures à 30 C environ. b) quand la teneur en hypochlorite du pro- duit de l'étape (a) est inférieure à 0,02%, on chauffe ce produit à 8595 C et c) on purifie le produit de l'étape (b) par précipitation par l'isopropanol, séchage et bro- yage.