Brevet FR2573763A1 — publié le 19860530

La présente invention se rapporte à la production de maltopentose cristallisé. Ainsi qu'il est décrit dans la publication de bre- vet japonais N 56 998/75, et dans Journal of the Japanese Society of Starch Science, Vol. 29, N 2, pp.153-160 (1982), le maltopentose est utilisé depuis peu comme substrat pour doser l'amylase du serum. Cependant, le maltopentose du commerce, dont le degré de pu- reté est inférieur à 94%, présente l'inconvénient de devoir être manipulé avec beaucoup de précaution car il est à l'é- tat non cristallisé, amorphe, pulvérulent, et est fortement hygroscopique. Il ressort de la description faite dans le Journal of the Japanese Society of Starch Science, Vol. 28, N 3, pp.215- 218 (1981), que les seuls maltooligosaccharides cristalli- sés connus jusqu'ici, sont G1 et G2,et le maltopentose cristallisé est inconnu. La présente invention permet d'éviter ces incon- vénients de l'art antérieur et d'obtenir du maltopentose cristallisé, non hygroscopique. Le nouveau procédé de préparation de maltopentose cristallisé, selon l'invention, consiste à produire un germe cristallisé de la manière suivante: une colonne de résine échangeuse de cation fortement acide, sous forme de sel, reçoit successivement des volumes prédéterminés d'une solution de mélange de saccharides, renfermant du maltopentose et des saccharides L et S, et de l'eau pour effectuer le fractionnement. (On entend sous la dénomina- tion de saccharide L, un saccharide ou mélange de saccha- rides ayant un degré de polymérisation du glucose égal ou supérieur à 6, et sous la dénomination de saccharide S, un saccharide ou mélange de saccharides, ayant un degré de polymérisation du glucose égal ou inférieur à 4). Les ef- fluents obtenus sont successivement séparés en fractions A, B, C, D et E: au cours du schéma d'élution, obtenu avec la résine en question, la fraction A représente une frac- tion riche en saccharide L; la fraction B représente une fraction riche en saccharide L,mais fortement souillée de maltopentose; la fraction C représente une fraction riche en maltopentose; la fraction D représente une fraction riche en maltopentose, mais fortement sou-llée de saccha- ride S; et la fraction E représente une fraction riche en saccharide S. La fraction C, qui est recueillie, renferme du maltopentose pur à 96,7%. Elle est ensuite décolorée avec du charbon activé, désionisée à l'aide de résines é- changeuses d'ions sous formes H- et OH-, concentrée à 75%, et est placée dans un becher en verre. Après 4 mois de re- pos à 25 C environ, des cristaux apparaissent sur la paroi interne du récipient. Ces cristaux sont utilisés comme ger- mes. Un concentré à 80% de la fraction C est ensuite ense- mencé avec ces germes de cristaux, et on laisse cristal- liser sous agitation douce. De la suspension cristallisée résultante, on sépare un maltopentose cristallisé ayant une pureté de 99,6%. Les propriétés physico-chimiques du maltopen- tose cristallisé sont les suivantes 1) Pouvoir rotatoire spécifique _725 = + 181,8 (C = 1 dans H20) 2) Spectre d'absorption UV: Une solution aqueuse de maltopentose cristallisé ne présen-- te pas de caractéristiques d'absorption UV. 3) Spectre infra-rouge: On mélange 5mg de maltopentose cristallisé pulvérulent et 220 mg de KBr déshydraté, sous agitation, pour obtenir un comprimé transparent d'environ 0,6 mm d'épaisseur, qui est ensuite soumis à la spectrométrie infra-rouge. Le résultat est donné dans la figure 1 (en ordonnée le pourcentage de transmission, et en abscisse l'indice d'onde (cm 1) 4) Point de fusion: Il est de 91 -93 C lorsqu'on soumet le produit à l'analyse thermique. ) Chaleur de dissolution: Selon l'analyse thermique, il y a absorption endothermique d'environ 18 Calories/gramme. 6) Solubilité: Cent grammes d'eau dissolvent jusqu'à 96,3 grammes de maltopentose cristallisé anhydre, à 250C. 7) Aspect et propriétés: Cristal incolore et transparent, Le microcristal est un solide blanc, sans odeur, légèrement sucré,pulvérulent. Le produit est non hygroscopique et non déliquescent. La fi- gure 2 représente une microphotographie d'une cristallisa- tion dans une solution aqueuse à 70% de maltopentose. Sa solution aqueuse est neutre ou légèrement acide. 8) Solubilité dans les solvants: Le produit se dissout facilement dans l'eau, NaOH 0,1N et HCl 0,1N. Il se dissout à peine dans le méthanol et l'étha- nol.Il est insoluble dans le chloroforme et l'acétate d'é- thyle. 9) Réactions colorées: Il tourne au vert lors de la réaction à l'anthrone/acide sulfurique. La réaction de Fehling est positive et celle à l'iode est négative. ) Constituants saccharides: a) Les analyses chromatographiques sur papier et en phase gazeuse confirment que l'hydrolysat, obtenu par hydrolyse avec de l'acide sulfurique 1N, est-constitué de D-glucose. b) La méthylation complète, suivie de l'analyse chromatographique gazeuse, confirme que le tétra-O-méthyl- 1,2,3,6 D_-glucose, le tri-O-méthyl-2,3,6 D-glucose et le tétra-O-méthyl2,3,4>6 D-glucose, sont dans les proportions 1/3/1. c) Le pouvoir rotatoire spécifique élevé (_525 de + 181,8 ) et le pic d'absorption infra-rouge pro- -1 che de 840 cm, indiquent que les constituants saccharides sont liés de manière alpha. d) Lors des analyses chromatographiques sur pa- pier et en phase liquide à haute pression, le cristal est décelé à un moment identique à celui que l'on observe avec du maltopentose amorphe du commerce, utilisé comme témoin. 11) Diffraction aux ravons-X: Une représentation de la diffraction aux rayons-X du malto- pentose cristallisé, déterminée conformément au mode opé- ratoire décrit par F.H. Stodola et coll. dans Journal of the American Chemical Society, Vol.78, pp.2514-2518 (1956) est reproduite dans la figure 3, avec l'intensité portée en ordonnée. L'appareil utilisé pour mesurer la diffraction est le "GEIGER-FREX RAD -II B"' utilisant le rayonnement CuRKo, un produit de Rigaku Corporation, Chiyoda-ku, Tokyo, Japon. La figure 4, qui sert de témoin, correspond à la représentation de la diffraction aux rayons-X d'un maltopentose amorphe pulvérulent, obtenu par dissolution complète de maltopentose cristallisé dans de l'eau chaude, suivie d'un séchage par la chaleur. il ressort de la figure 3, que l'analyse par diffraction aux rayons-X du maltopentose, avec un rayonnement CuK o, donne des angles de diffraction prédominante( 2 9) de 9,7 , 15,8 , 16,2 , 17,2 et 23,79. Ces données permettent de conclure que le cristal est un maltopentose cristallisé inconnu jusqu'à ce jour, et non hygroscopiqqe. La production de maltopentose cristallisé, et de solide pulvérulent en renfermant, est décrite ci-après. On peut ntiliser toute solution très pure de maltopentose, quel que soit son procédé de production, pourvu que la so- lution soit sursaturée et que d-u maltopentose puisse cris- talliser à partir de cette solution. On peut produire du maltopentose de la manière suivante: par exemple, une solution de mélange de saccharides renfer- mant du maltopentose, obtenue par liquéfaction d'une sus- pension d'amidon par chauffage, et hydrolyse de la solu- tion d'amidon résultante avec de 1' d-amylase (EC 3,2,1,1), est introduite dans une colonne de résine échangeuse de ca- tion fortement acide, sous forme de sel, puis on élue avec de l'eau pour obtenir les fractions A,B,C,D et E, confor- mément au diagramme d'élution représenté dans la figure 5, dans laquelle est portée en ordonnée la concentration en saccharide, et en abscisse l'indice de fraction. La frac- tion C, avec un degré de pureté du maltopentose de l'or- dre de 85% ou plus, peut être avantageusement utilisée pour produire le maltopentose cristallisé. Les fractions B et D peuvent être introduites dans la co- lonne en même temps qu'une solution de mélange de saccha- rides renfermant du maltopentose. En particulier, il est souhaitable d'effectuer l'introduction, successivement, de la fraction B, de la solution de mélange de saccharides ren- fermant du maltopentose, et de la fraction D, car on peut alors récupérer du maltopentose à une plus forte concentra- tion, et avec un rendement supérieur. La résine échangeuse de cation fortement acide, sous forme de sel, est constituée d'une ou plusieurs ré- sines de copolymère styrène-divinylbenzène, ayant de préf6 rence un degré de réticulation égal ou inférieur à 6% (ce degré est défini comme le rapport, exprimé en pourcentage, du divinylbenzène à la quantité totale des monomères utili- sés pour produire la résine de copolymère styrène-divinyl- benzène), qui porte des groupements sulfoniques sous forme -t + 2+ de métal alcalin ou alcalino-terreux, comme Na+, K, Ca, 2-t ou Mg2+. Conviennent, par exemple, les résines du commerce suivante: "Dowex 50WX1", "Dowex 50WiX2" et "Dowex 50WX4" de Dow Chemicals Co.; "Amberlite CG-120" de Rohm & Haas Co.; "XT-1022E" et "XT-1007" de Tokyo Chemical Industries "Diaion SK 106", "Diaion SK 104", "Diaion SK 102" et "Diaion SK lB" de Mitsubishi Chemical Industries Ltd. Le fraction- nement peut être réalisé conformément aux procédés en cou- che fixe, en couche mobile ou en couche mobile simulée. Afin de cristalliser le maltopentose très pur, ainsi obtenu, on en fait un sirop aqueux à 65-95%, qui est ensuite ajusté dans un intervalle de température de 0 à C, intervalle dans lequel ce sirop ne se prend pas, et la perte de chaleur au cours du traitement est relativement faible. Le degré de saturation et la viscosité du sirop peu- vent être controlés par la présence par exemple de méthanol, d'éthanol, d'acétone, ou similaires. En général, on intro- duit dans un cristallisoir une solution saturée, préchauf- fée à température relativement élevée, c'est-à-dire 40 - C, de maltopentose, on y ajoute le germe cristallin à raison de, de préférence, 0,1 à 20%, et l'on refroidit pro- gressivement tout en accélérant la cristallisation par agi- tation. Parmi les modes opératoires utilisés pour transformer la suspension cristallisée résultante en solide pulvérulent, figurent les procédés suivants: séparation classique des cristaux, pulvérisation en bloc, granulation sur couche fluidisée et séchage par atomisation. Le procédé de séparation des cristaux, par exemple, consis- te habituellement à introduire la suspension cristalline résultante dans une centrifugeuse de type à panier, à la sé- parer en maltopentose cristallisé et en liqueur mère, et, éventuellement, à rincer le maltopentose cristallisé, par pulvérisation d'une petite quantité d'eau ou de solution alcoolique refroidie, ce qui donne du maltopentose cristal- lisé de pureté supérieure. Comme, au cours des trois au- tres procédés,la liqueur mère n'est pas séparée du malto- pentose cristallisé, ces procédés aboutissent à un rende- ment supérieur, mais avec une pureté du maltopentose moins élevée. Le produit pulvérulent, obtenu par l'un de ces pro- cédés, renferme, outre le maltopentose cristallisé, iné- vitablement, de petites quantités de saccharides supplémen- taires comme maltohexose, maltotétrose et maltotriose. Au cours du procédé de séchage par atomisation, une suspen- sion cristalline ayant une concentration de l'ordre de 70 à 85%, dans laquelle la cristallisation a été réalisée jus- qu'à environ 25 à 60%, est séchée par pulvérisation au tra- vers d'un ajutage, à l'aide d'une pompe A pression élevée, et le produit pulvérulent obtenu est ensuite déshydraté dans un courant d'air chaud à une température de l'ordre par exemple de 60 à 100 C, qui ne fait pas fondre le mal- topentose cristallisé. Puis ce produit pulvérulent est mari dans de l'air à 30 -60 C pendant 1 a 20 heures, afin de don- ner un produit pulvérulent pratiquement non hygroscopique. Au cours du procédé de pulvérisation en bloc, en général, une suspension cristalline à teneur en humidité de 5 à 15%, dans laquelle la cristallisation a été réalisée jusqu'à environ 10 à 60%, est solidifiée en un bloc par abandon pen- dant 0,5 à 5 jours. On obtient par broyage et/ou découpe de ce bloc cristallisé, suivis d'une déshydratation, un produit pulvérulent, pratiquement non hygroscopiqge. Le maltopentose cristallisé et le solide pulvéru- lent le renfermant, sont tous deux pratiquement non hygros- copiques, s'écoulent librement, et peuvent être facilement manipulés sans risque de prise en gâteau ou de solidifica- tion. Aussi, en plus de l'utilisation comme réactif chimi- que et comme substrat pour le dosage del'amylase, ces pro- duits peuvent-ils être avantageusement utilisés comme pro- duits alimentaires, produits pharmaceutiques, cosmétiques et produits chimiques. Comme ils sont dénués de l'odeur de l'amidon, et comme ils présentent une viscosité appropriée et un léger pouvoir édulcorant, ils peuvent être utilisés avec avantage pour la production de produits de régime, par exemple de régimes haute-calorie exempts de protéine, aussi bien que pour la production d'aliments et de produits phar- maceutiques à administrer par voie-orale, sous forme de gra- nulé, cube, bloc ou comprimé, en combinaison avec des char- ges, véhicules et/ou liants. De plus, comme le léger pouvoir édulcorant,aussi bien que la viscosité et l'aptitude à don- ner de l'éclat s'harmonisent bien avec des substances ai- grelettes, salées, astringentes, et délicieuses, et que les produits en soi sont fortement résistants aux acides et à la chaleur, ils peuvent être avantageusement utilisés pour assaisonner et/ou améliorer des produits alimentaires, par exemple assaisonnements, confiseries en général, des- serts glacés, produits agricoles cuisines, viandes cuisi- nées, produits de la mer cuisinés, produits laitiers, li- queurs, boissons non alcoolisées, aliments instantanés, et similaires. La production de maltopentose très pur est expli- quée en détail avec référence aux expérimentations suivan- tes. Sauf indication contraire, les pourcentages sont don- nés en poids rapportés au poids de solides secs. EXPERIMENTATION 1 Solution destinée à la production de maltopentose très pur Une suspension d'amidon à 6% est gélifiée par la chaleur, est ajustée à pH 4,5 et 50 C, est additionnée d'isoamylase (2 500 unités/gramme d'amidon) commercialisée par Hayashi- bara Biochemical Laboratories Inc., et oqlaisse agir celle- ci pendant 20 heures. Le mélange réactionnel est ajusté à - pH 6, on le passe à l'autoclave à 120 C pendant 10 minutes, le refroidit à 45 C, avant d'y ajouter "Termamyl 60 L" (150 unités/gramme d'amidon) une i-amylase commercialisée par Novo Industri A/S, et on laisse agir pendant 24 heures. Ce mélange réactionnel est passé à l'autoclave à 120 C pendant minutes, est refroidi et purifié de manière classique par décoloration avec du charbon activé et désionisation avec des résines échangeuses d'ions sous forme H et OH, et l'on obtient une solution à 55% de mélange de saccharides avec un rendement de l'ordre de 91%. Cette solution est composée de 47,5% de saccharide S, 40,3% de maltopentose et 12,2% de saccharide L. EXPERIMENTATION 2 Effet de la résine échangeuse d'ions fortement acide, sur le fractionnement de la solution de départ L'effet du degré de réticulation est étudié avec la solution obtenue au cours de l'expérimentation 1. Avant de les utiliser, on passe au tamis les résines échan- geuses de cation fortement acides, sous forme Na+, qui sont énumérées dans le tableau I, de manière à avoir une dimen- sion moyenne de particule entre 0,1 et 0,3 mm. Chaque résine est chargée dans une colonne en acier inoxy- dable, chemisée, de 2,2 cm, de manière à avoir une épaisseur de couche de 10 mètres. Tout en maintenant la température in- terne de la colonne à 70 C, on y fait passer, d'abord la so- lution d'alimenation à 40%, à raison deO10% en volume/volume de la couche, ensuite de l'eau à 70 C avec une vitesse spa- tiale de 0,4, puis on sépare successivement les effluents résultants. Juste avant que l'çlution des saccharides ne soit achevée, leg fractions obtenues sont recyclées succes- sivement vers la colonne, suivies par l'admission d'une quantité compensatrice d'eau chaude. Après répétition à5 reprises de ces opérations de recyclage, les effluents sont successivement séparés en fractions A, B, C, D et E et l'on recueille la fraction C qui renferme du maltopen- tose pur à 90% ou plus. Le rendement de récupération du maltQpentose est déterminé comme le pourcentage de teneur en maltopentose dans la fraction C par rapport à sa teneur dans la solution de dé- part utilisée. S TABLEAU I Degré de réticulation des résines essayées Degré de Nom de Marque Fabricant de réticulation de la résine la résine 1% Dowex 50W1X1 Dow Chemicals Co. 2% Diaion SK102 Mitsubishi Chemical Industries Ltd. 4% Dowex 50WX4 Dow Chemical Co. 6% Diaion SK106 Mitsubishi Chemical Industries Ltd. 8% Dowex 50WX8 * Dow Chemicals Co. % Diaion SK110 Mitsubishi Chemical Industries Ltd. 12% Diaion SK112 Mitsubishi Chemical Industries Ltd. Les résultats sont donnés dans le tableau II. il ressort de ce tableau que le degré de réticulation souhaitable est égal ou inférieur à 6%. TABLEAU I; Degré de réticulation et rendement de récupération du maltopentose Degré de Rendement de récupération réticulation (%) du maltopentose 1 82 2 93 4 94 6 81 8 15 inférieur à 5 12 inférieur à 5 L'invention sera mieux comprise avec référence aux exemples non limitatifs suivants. EXEMPLE 1 Maltopentose cristallisé On utilise comme solution de départ, la solution de mélange l1 de saccharides, à pureté en maltopentose de 40,3%, prépa- rée dans l'expérimentation 1. On choisit comme résine échangeuse de cation fortement acide, sous forme de métal alcalin, "XT-1007 (Na+)", à degré-de réticulation de 6%, que l'on charge en suspension aqueuse dans 4 colonnes en acier inoxydable, chemisées, de 5,4 cm de façon à avoir des épaisseurs respectives de couche de 5mêtres. Ces 4 colonnes sont disposées en cascade pour donner une épais- seur totale de couche de 20 mètres. Tout en maintenant la température interne de l'ensemble à 55QC, on y intro- duit la solution de départ à raison de 5% en volume par volume de la couche, et l'on fractionne par passage d'eau à 55 C avec un débit de 0,16. Ensuite, les fractions ré- sultantes sont successivement recyclées vers la colonne, à 2 reprises supplémentaires, et de manière similaire, puis on recueille la fraction C à teneur en maltopentose de 96,7%. Cette fraction est purifiée par décoloration avec du charbon activé et par désionisation à l'aide de résines échangeuses d'ion de formes H et OH, puis on con- centre à 75% et l'on place dans un becher en verre. Au bout de 4 mois d'abandon à environ 25 C, du maltopentose cristallise sur la paroi interne du becher. Ces cristaux sont utilisés comme germes et sont alors ajoutés à raison de 4% à une solution aqueuse à 50 C environ, obtenue par concentration à 80% de la fraction-C, puis on laisse cris- talliser sous agitation douce. Le maltopentose cristallisé est séparé de la suspension cristalline résultante, et est rincé avec une petite quantité d'une solution alcoolique aqueuse refroidie, ce qui donne un maltopentose cristal- lisé, pur à 99,6%. Ce produit n'est pas hygroscopique, même à l'air ambiant. Comme on peut le constater dans la figure 3, l'analyse de la diffraction aux rayons-X du mal4opentose cristallisé, avec le rayonnement CuK d, il existe des angles de dif- fraction prédominants (28) de 9,7 , 15,8 , 16,2 , 17,2 et 23,7 . Outre son utilisation comme germe, le maltopento- se cristallisé peut servir avantageusement comme substrat pour le dosage de l'amylase du serum, aussibien que dans les produits alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques, chimiques, et similaires. EXEMPLE 2 Solide pulvérulent renfermant du maltopentose cristallisé On utilise la même solution de départ que dansl'exemple 1. On choisit comme résine échangeuse de cation fortement acide, sous forme de métal alcalino-terreux, "Dowex 50WX4 (Mg++)", à degré de réticulation de 4%, que l'on charge dans des colonnes de mêmes type et dimension que dans l'exemple 1, de manière à avoir une épaisseur totale de couche de 30 mètres. Tout en maintenant la température in- terne des colonnes à 75 C, on y introduit la solution de départ à raison de 6,6% en volume par volume de la couche, puis on fractionne par passage d'eau à 75 C- à un débit de 0,13. Ensuite, les fractions résultantes sont successive- ment recyclées vers la colonne comme plus haut, puis l'on recueille la fraction C avec du maltopentose pur à 89,4%. Cette fraction est purifiée comme dans l'exemple 1, puis est concentrée pour donner une solution à environ 90% (70 C). Cette solution est alors introduite dans un cristallisoir, y est additionnée de 2% de germes de maltopentose cristal- lisé, obtenu selon le procédé de l'exemple 1, et on laisse cristalliser pendant un certain temps sous agitation douce, * et on met dans un récipient plat oi on laisse se solidi- fier à environ 20 C par abandon pendant 4 jours. Le solide résultant est pulvérisé avec un appareil muni de lames cou- pantes, puis est déshydraté pour donner un solide pulvéru- lent renfermant du maltopentose cristallisé. Ce produit est pratiquement non hygroscopique, et est fa- cilement manipulable. L'analyse de diffraction aux rayons-X de ce produit, avec un rayonnement CuK 4, montre des angles de diffraction prédominant (2 e) de 9,7 , 15,80, 16,2 , 17,2 et 23,7 , comme pour le maltopentose cristallisé de l'exemple 1. Le produit peut être avantageusement utilisé dans les pro- duits alimentaires, pharmaceutiques, cosmétiques et chimi- ques. REVENDICATIOQS 1. Maltopentose cristallisé. 2. Maltopentose cristallisé, caractérisé el e qu'il présente à 1l'analyse de diffraction aux rayons-X avec le rayonnement CuK d, des angles de diffraction (20) prédo- minants à 9,7 , 15,8 , 16,2 , 17,2' et 23,70. 3. Procédé de production de maltQpentese óristallisé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par les stades de a) obtention d'une solution du mélange de saccha- rides renfermant conjointement avec du maltepentese, un saccharide à degré de polymérisation du glucese égal ou supérieur à 6 (saceharide L) et un sAceharide à degré de polymérisation du glucose égal ou.nférieur b 4 (sacchari- de S); b) introduction séquentielle 4g voluimes prédé- terminés de cette solgtion, et d'eau, dans une colonne de résine échangeuse de cattQ4n, fotement acide, sous forme de sel c) séparation séquentielle des effluents de la colonne dans les fractions sgivantes dans l'ordre spécifié: première fraction, riche en saccharide L, seconde fraction riche en saccharide L,mais fortement óontaminée de malto- pentose, troisième fraction riche en maltopentose, qua- tribme fraction riche en maltopentqse, mais fortement conta- minée de saccharide S, et cinquième fraction, riche en sac- charide S; d?) rcupértion de la troisième fraction riche en maltopentose; e) cristallisation de ce màltopentose; et f.f) récupération du maltopentose cristallisé ré. sultant. 4. Procdé selon la revendication 3, caractérisé en ce que le degré de réticulation de la résine échangeuse de cation, fortement acide, est égal ou inférieur h 6. 5. Procédé selon une des revendications 3 ou 4, ca- rActérisé eite que, après récupération de la troisième fraction, riche en maltopentose, au stade (d), on introduit dans la colonne, séquentiellement, la seconde fraction ob- tenue au stade (c), une solution de mélange de saccharides renfermant conjointement avec du maltopentose, du saccha- ride L et du saccharide S, la quatrième fraction obtenue au stade (C), et de l'eau; puis on répète les stades (c), (d) et (e) de manière cyclique, avant de cristalliser et de récupérer le maltopentose cristallisé. 6. Procédé selon une des revendications 3 à 5,carac- térisé en ce que la résine échangeuse de cation, fortement acide, est sous forme d'un sel alcalin ou alcalino-terreux. 7. Procédé selon une des revendications 3 à 6, carac- térisé en ce que la solution de mélange de saccharides est obtenue par gélifica ion d'amidon, soumission de la solu- tion d'amidon résultante à l'action de 1' c purification de l'hydrolysat résultant renfermant le malto- pentose.