Brevet FR2599040A1 — publié le 19871127

PROCEDE DE PREPARATION D'OLIGO- ET POLY-OSIDES RAMIFIES, NOTAMMENT A PARTIR DE SACCHAROSE L'invention se rapporte à un procédé de préparation d'hétérooligoou poly-osides ramifiés à partir du saccharose en particulier, et aux produits obtenus par ce procédé. Elle concerne notamment le domaine des produits alimentaires non métabolisables ou à métabolisation lente, ainsi que les domaines où les propriétés de rétention d'eau de ces composés peuvent être d'intérêt, notamment la cosmétologie. II est connu que l'action du fluorure d'hydrogène (HF) sur les cétoses et polycétosides, tels que le Fructose ou l'inuline, conduit à la formation de dianhydrides dioxolanniques résultant de la dimérisation de deux molécules de cétose (Carbohydr. Res. 136 (1985) 53-65). Ces dianhydrides sont en équilibre thermodynamique, en solution dans le fluorure d'hydrogène. Six isomères ont ainsi été isolés et caractérisés. Les auteurs ont montré que, dans le mélange réactionnel, leurs proportions relatives dépendent des conditions opératoires. La demande de brevet PCT/FR8400186 décrit un procédé de fabrication de ces dianhydrides, avec l'objectif de préparer des agents édulcorants non métabolisables en utilisant plus particulièrement du D-fructose, du sorbose, de l'inuline ou du saccharose.Le procédé décrit dans ce brevet consiste à faire réagir le glucide, sans addition d'eau, avec le fluorure d'hydrogène utilisé comme solvant et réactif, puis à éliminer l'halo-acide par voie sèche. L'efficacité du procédé est directement liée à la dissolution du glucide dans le fluorure d'hydrogène. Dans l'exemple donné pour le saccharose, la proportion de ce glucide par rapport au fluorure d'hydrogène est de 5 g pour 10 ml. Après un temps donné de réaction, le produit résultant est précipité par addition d'éther éthylique. II est constitué d'un mélange de dianhydrides du Fructose et de fluorures de glucosyle. On sait d'autre part que la dissolution d'aldoses ou de polyaldosides tels que le D-glucose, t'amylose ou la cellulose, dans le fluorure d'hydrogène conduit au fluorure de glucosyle en équilibre avec des composés d'autocondensation (produits de réver sion). Cet équilibre peut être déplacé en faveur des oligomères d'autocondensation par simple évaporation de HF, ce qui conduit à i'obtention d'un mélange d'oligosaccharides ramifiés liés principalement oi- et mais également J- et et de degré de polymérisation généralement inférieur à 5 (Carbohydr. Res. 110, (1982) 217-227). La présente invention se propose de préparer, avec de bons rendements, par simple traitement par le fluorure d'hydrogène, des hétero- oligo- et poly-osides ramifiés hydrosolubles, à partir de glucides tels que le saccharose, ou de tout autre saccharide comportant au moins un motif cétose et, le cas échéant un motif aldose, ceux-ci pouvant être additionnés d'un aldose ou d'un polyaldoside, Le procédé est caractérisé en ce que le rapport en poids glucide/ fluorure d'hydrogène mis en jeu est au moins égal à 2/1.En effet, contrairement à la réaction de l'art antérieur où la transformation du saccharose par exemple, effectuée en milieu à faible concentration en glucide, est extrémement rapide et violente et conduit aux dimères mentionnés, il a été trouvé qu'il était possible obtenir les oligomères ramifiés souhaités avec un rapport glucide/HF élevé, ce qui permet par ailleurs un contrôle plus aisé de la réaction. La grande proportion de glucide dans le milieu n'empêche pas le fluorure d'hydrogène de jouer à la fois un rôle de solvant, de destructurant des macromolécules, de réactif et de catalyseur de la réaction, ce qui n'était nullement prévisible. La quantité minimale de HF nécessaire à la réaction dépend en fait essentiellement des conditions de la dispersion macromoléculaire des glucides dans le milieu (agitation, broyage, etc...), de telle façon que cette réaction se déroule en milieu homogène. Les avantages attendus de cette méthode sont importants au plan industriel. En effet, HF est un produit de manipulation délicate, il est assez coûteux, toxique, très agressif et nécessite un appareillage approprié. On a pu ainsi constater que l'on pouvait obtenir des produits d'autocondensation avec un bon rendement, tout en réduisant la quantité de HF nécessaire à la réaction. En conséquence, les problèmes liés à la récupération de l'acide, à son recyclage et aux pertes sont diminués. Par ailleurs, par rapport aux techniques utilisant de faibles concentrations dans HF, le procédé à très haute concentration en glucide offre également un mélange réactionnel beaucoup moins corrosif vis-à-vis de l'appareillage utilisé. En effet, un grande partie du HF est fixée d'une manière plus ou moins labile dans la pâte qui se forme rapidement. II se crée des liaisons hydrogène avant la manifestation même de l'effet réactif. La quantité de HF libre susceptible de corroder l'appareillage est de ce fait très réduite. Il y a toutefois une limite supérieure de la concentration au-delà de laquelle la réaction cesse de s'effectuer dans de bonnes conditions, où la pâte devient trop dure, même avec un broyage mécanique pendant la réaction, et où il subsiste en fin de réaction une quantité non négligeable de produit qui n'a pas réagi. Il a ainsi été trouvé que le rapport glucidelHF ne devrait pas excéder 7/1. Les réactions mises en jeu peuvent, sur un plan fondamental, être schématisées de la façon suivante (schéma de la figure 1) II a été trouvé que l'action de HF sur le saccharose 1 conduit, dans un premier temps, à une rupture de la liaison interosidique entre les motifs glucopyranose et fructofuranose, suivie d'une dimérisation simultanée des entités correspondant au cétohexose libéré 2 et formation d'un mélange de dianhydrides du D-fructose (DAF) 4. Le D-glucose 3 formé lors de cette réaction peut, suivant les conditions opératoires, réagir avec le fluorure d'hydrogène, en donnant lieu à formation d'un fluorure de D-glucopyranosyle vraisemblablement en équilibre avec le cation glucosyle correspondant 5. Cette entité réactive peut s'autocondenser en seconde étape avec formation de produits de réversion 7. Elle est également susceptible de réagir avec les dianhydrides du fructose présents dans le milieu réactionnel en conduisant à des structures ramifiées hétéro- oligo- et poly- saccharidiques 6 comme indiqué dans le schéma de la figure 1. Le taux de transformation en ces différents composés dépend des conditions opératoires : concentration en fluorure d'hydrogène, température, temps de réaction et moyens mécaniques d'agitation ou de broyage mis en oeuvre. Selon un autre aspect de l'invention qui résulte de l'examen du schéma réactionnel précédent, on augmente le degré de polymérisation et de ramification des produits résultants- en permettant aux entités glucose d'être en plus forte concentration dans la solution par rapport aux entités cétose. Le procédé décrit ci-dessus est par conséquent applicable également aux mélanges de saccharose, ou de tout autre glucide comportant au moins un motif cétose, avec un aldose ou un polyaldoside. Ces derniers composés sont susceptibles, selon le schéma réactionnel précédemment explicité, de réagir avec les dianhydrides de cétoses pour donner les produits ramifiés de masse moléculaire plus élevée 6. La réaction n'est le plus souvent pas effectuée en milieu anhydre. Le milieu réactionnel comprend le fluorure d'hydrogène pur, accompagné éventuellement d'une certaine quantité d'eau. Cette dernière peut provenir du HF utilisé, qui n'est pas nécessairement anhydre, de la réaction elle-même qui peut produire de l'eau et, le cas échéant, du degré d'hydratation du glucide mis en oeuvre, lequel peut éventuellement être réduit par séchage préalable. II est bien entendu que le terme fluorure d'hydrogène englobe les cas où, dans le milieu réactionnel, il est associé à une certaine quantité d'eau. Toutefois, celle-ci ne devra pas dépasser 40 % de la quantité de fluorure d'hydrogène utilisé, auquel cas les réactions seraient ralenties. La réaction s'applique de préférence au saccharose, mais d'autres glucides comportant au moins un motif cétose, sont également envisageables : tels le fructose, le sorbose, les kestoses, neokestose, erlose, gentianose, raffinose, melezitose, inuline, levane, ... Dans le cas où le fructose est utilisé seul, il sera bien évidemment additionné d'un aldose. Par aldose, on comprend aussi bien les aldopentoses et les aldohexoses dont le glucose est un exemple. Les polyaldosides sont des oligo- et poly-osides constitués essentiellement de motifs du type aldose. On trouve dans ce groupe l'amidon et ses composants amylose et amylopectine ainsi que la cellulose, qui contiennent le motif anhydro- glucose comme constituant principal, ou encore le xylane, constituant des hémicelluloses, qui contient le motif anhydro-xylose. Lorsque le saccharose seul, ou tout autre glucide comportant au moins un motif cétose et un ou plusieurs motifs aldose, est utilisé, sa concentration dans le fluorure d'hydrogène est de préférence choisie de façon à ce que le rapport en poids glucide/HF soit compris entre 2/1 et 7/1. En travaillant à température ambiante et lorsque le rapport glucide/HF est égal ou inférieur à 3/1, le taux résiduel d'aldose formé dans la réaction est généralement inférieur à 5 % en poids par rapport au total des produits formés. Au-delà de cette concentration, la proportion d'aldose résiduel augmente jusqu'à atteindre 25 % du mélange total obtenu pour un rapport respectif ose, polyosidelHF égal à 7/1. Ce taux d'aldose résiduel peut être sensiblement diminué en travaillant à température plus élevée et (ou) avec des conditions d'agitation et de malaxage appropriées. Ainsi on utilisera de préférence des températures inférieures ou égales à 500C et des temps de réaction allant de quelques minutes à 3 heures. Pour des rapports en poids glucide/HF inférieurs ou égaux à 3/1, on procédera de la façon suivante : à température ambiante, le saccharose ou tout autre glucide comportant au moins un motif cétose, et un ou plusieurs motifs aldose, est additionné de fluorure d'hydrogène, et la solution résultante est maintenue sous agitation pendant 15 min à 1 h. Le fluorure d'hydrogène est ensuite évaporé sous pression réduite à des températures comprises entre 20 et 800C, et de préférence entre 30 et 500C. Le produit brut, obtenu sous forme de sirop, mais plus généralement de poudre sèche, a une teneur résiduelle en HF qui dépend beaucoup des conditions d'agitation et (ou) de malaxage utilisées lors de l'évaporation. De façon à obtenir une teneur acceptable pour l'usage alimentaire, il est dissous dans l'eau et neutralisé par addition de carbonate de calcium.Au cas où des ions fluorures se trouveraient encore présents dans les produits de la réaction, une déminéralisation par passage sur une colonne de résine échangeuse mixte cation-anion permet de les éliminer. Pour des rapports en poids glucides/HF supérieurs à 3/1, le protocole opératoire précédent est respecté, mais la température de la réaction est portée au-delà de 200C jusqu'à 800C, et de préférence de 300 à 500C, avec un temps de réaction compris entre 1 et 3 h. Lorsqu'un aldose tel le D-glucose, ou un polyaldoside tels l'amidon, la cellulose ou un xylane, sont mis en réaction avec le fluorure d'hydrogène, conjointement avec un glucide comportant au moins un motif cétose, le rapport en poids glucide/HF doit être de préférence inférieur ou égal à 5/1. Dans ce cas, la teneur résiduelle en D-glucose reste inférieure ou égale à 10 %. Le mode opératoire utilisé est identique à celui décrit précédemment, en tenant compte qu'il est préférable d'ajouter l'aldose ou le polyaldoside à la solution de saccharose ou du glucide comportant au moins un motif cétose, dans le fluorure d'hydrogène. Les produits obtenus selon ce procédé sont nouveaux et constituent également un objet de l'invention. Lorsque le saccharose est utilisé seul, en réaction avec le fluorure d'hydrogène, I'analyse montre que le mélange de produits obtenus est constitué des dianhydrides décrits antérieurement, ainsi que de dianhydrides du D-fructose greffés par 1 à au moins 10 unités de D-glucose. La teneur résiduelle en D-glucose est, comme mentionné ci-dessus, fonction des conditions opératoires (rapport glucide/ HF, température, temps de réaction, conditions d'agitation). Lorsqu'un aldose ou un polyaldoside, glucose, amidon ou cellulose par exemple, sont ajoutés, on peut détecter la formation simultanée de produits de réversion correspondants (polyglucosanes ramifiés) et on observe une augmentation simultanée de la masse moléculaire des dianhydrides de cétoses obtenus, résultant du greffage sur le noyau dianhydride de cétoses, de l'aldose ou d'oligosaccharides d'aldose. Les produits obtenus ont été caractérisés par utilisation de techniques connues, rappelées ci-dessous à titre d'exemple - Le pouvoir réducteur est estimé par la méthode utilisant l'acide 2,5-dinitrosalicylique (méthode au DNS) et donné (8) par rapport au Glucose. Le D-glucose résiduel est évalué selon la méthode enzy matique utilisant la D-glucose-oxydase commercialisée par la Sté Boehringer. L'estimation des composants non dialysables est réalisée en plaçant l'échantillon, en solution dans l'eau, dans un tube de dialyse Visking, à paroi mince, commercialisé par Union Carbide et susceptible de retenir les molécules de masse supérieure à 6.000. Un courant d'eau circule pendant 48 h au contact de ce tube de dialyse. La présence d'oligosaccharides de DP supérieur à 5, est évaluée en chromatographie liquide sous haute pression (CLHP) par utilisation d'une colonne "Sugar Pak" commer cialisée par la Société Waters, dans laquelle la phase stationnaire est constituée par un gel échangeur d'ions sous forme de sel de calcium. La technique de chromatographie utilisant l'exclusion de gel permet également, -par rétention sélective des molécules en fonction de leur volume hydro dynamique, de visualiser la polydispersité en masse des mélanges polysaccharidiques et d'apprécier les masses moléculaires en équivalents dextrines des mélanges. 13 La r.m.n. du 13C permet de visualiser la présence de dianhydrides du D-fructose en tenant compte des paramètres décrits dans la publication Carbohydr. Res. 136 (1985) 53-65. Le greffage d'unités glucose sur les dianhydrides de cétoses est apprécié par utilisation de la spectrométrie de masse en mode d'ionisation par bombardement d'atomes accélérés et détection d'ions positifs ou négatifs. A titre d'exemple, les produits résultant de l'action de HF sur le saccharose donnent lieu, en détection d'ions positifs, à deux séries d'ions correspondant : d'une part à la série des oligosac charides du D-glucose ayant pour écart de masse 162, d'autre part aux dianhydrides du D-fructose, débutant à la masse 324 et se poursuivant par les masses 486, 648, 810, résultant de greffage de n-unités anhydroglucose. Les exemples qui suivent illustrent l'invention. II est à noter que, de façon générale dans ces essais, une première phase de réaction est réalisée dans un vase en polytétrafluoroéthylène, avec agi- tation mécanique. Le mélange obtenu est ensuite transféré dans un réacteur en acier inoxydable. Le fluorure d'hydrogène, ainsi que l'eau éventuellement formée dans la réaction, sont alors évaporés sous pression réduite ou par balayage avec de l'air sec, un gaz inerte et à une température convenable. Il est entendu que, industriellement, ces deux phases du procédé pourraient être effectuées dans le même appareil, doté de moyens mécaniques d'agitation et (ou) de broyage suffisant, ce qui n'est pas le cas du réacteur expérimental présentement utilisé. Les rendements indiqués dans les exemples constituent des rendements minimaux, étant donné qu'une partie des produits résultant de la première phase de travail est susceptible de rester fixée sur les parois du vase. Exemple 1: Saccharose/HF,.dans un rapport 3:1. Le saccharose (60 g), placé dans un réacteur en polytetrafluoroéthylène, est additioné à température ambiante et avec agitation mécanique, de fluorure d'hydrogène (20 g). Après 1 h à cette température, la solution est transférée dans un réacteur en acier inoxydable. L'évaporation du fluorure d'hydrogène est réalisée en 30 à 45 min sous une dépression de 15 Pa. Elle permet d'obtenir un produit solide pouvant être aisément réduit en poudre. Ce mélange est dissous dans l'eau et neutralisé par addition de carbonate de calcium, puis filtré. Le filtrat est déminéralisé par passage sur une colonne de résine échangeuse d'ions mixte. Au cas où une légère coloration serait perceptible, cette étape peut être éventuellement suivie d'un passage sur une colonne de charbon végétal e Le produit est obtenu, avec un rendement de 80 %, sous la forme d'une poudre blanche après lyophilisation (64 g, 80 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur (par référence au D-glucose) : 12 à 16 %. - Teneur résiduelle en D-glucose, 2,5 %. - Teneur résiduelle en D-fructose : négligeable. - Fraction non dialysable : inférieure à 10 %. - Solubilité dans l'eau à 200C : 75 %. - [&alpha;]D25+18 (c 1, H2O). Exemple 2 : Saccharose/HF, dans un rapport 5:1 Le protocole expérimental décrit pour l'exemple 1 est utilisé en partant de saccharose (25 g) et de HF (5 g). La différence porte sur la température et le temps de réaction qui sont respectivement de 500C et de 2 h. Le produit est également obtenu sous la forme d'une poudre blanche après Iyophilisation (23 g, 92 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur : 10 à 12 % - Teneur résiduelle en D-glucose : 4 % - Teneur résiduelle en D-fructose: négligeable - Solubilité dans l'eau à 200C : 75 % - (c 1, 1120). Exemple 3 : Saccharose/HF, dans un rapport 7:1 Les conditions opératoires sont identiques à celles de l'exemple 2 On utilise du saccharose (35 g) et du fluorure d'hydrogène (5 g). Le produit résultant est obtenu sous la forme d'une poudre blanche après lyophilisation (33 g, 94 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur : 12 à 16 %. - Teneur résiduelle en D-glucose : 20 %. - Fraction non dialysable : inférieure à 10 t. - Solubilité dans l'eau à 200C : 75 %. - [&alpha;]D25+17 (c 1, H2O). Exemple 4 : Saccharose/amidon/HF dans un rapport 5:1:2 (rapport glucide/HF, 3:1). Le saccharose (25 g), placé dans un réacteur en polytétrafluoroéthylène, est additionné à température ambiante et avec agitation mécanique, de fluorure d'hydrogène (10 g). Après 15 min d'agitation, 5 g d'amidon (10 % d'humidité) sont additionnés au mélange. La réaction est agitée pendant 30 min supplémentaires, puis évaporée en 30 min à 500C sous pression réduite. Le produit, obtenu sous forme pulvérulente, est repris par l'eau, neutralisé et filtré. Le filtrat est ensuite concentré puis traité par le charbon actif, avant évaporation à sec ou lyophile sation qui conduit à une poudre blanche (25 g, 83 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur : 12 %. - Teneur résiduelle en glucose : 4 % - Fraction non dialysable : inférieure à 10 % - Solubilité dans l'eau à 200C : 75 %. - Exemple 5 : Saccharose/amidon/HF dans un rapport 3:3:2 (rapport glucide/HF, 3:1). Le protocole expérimental utilisé est identique à celui de l'exemple 4. Seuls les rapports respectifs saccharose-amidon sont modifiés. Dans cet exemple, on utilise 15 g de saccharose, 15 g d'amidon (10 % d'humidité) et 10 g de fluorure d'hydrogène. Le produit est obtenu sous la forme d'une poudre blanche après lyophiîisation (22 g, 77 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur : 12 à 16 %. - Teneur résiduelle en glucose : 3 à 4 % - Fraction non dialysable : inférieure à 10 % - Solubilité dans l'eau à 200C : 75 %. [&alpha;]D25 +27 (c 1, H2O). Exemple 6 : Saccharose/amidon/HF dans un rapport 4:1:1 (rapport glucide HF, 5:1). Le saccharose (40 g), placé dans un réacteur en polyéthylène est additionné à température ambiante et avec agitation mécanique de fluorure d'hydrogène (10 g). Après 15 min d'agitation, 10 g d'amidon (10 % d'humidité) sont additionnés au mélange. La réaction est laissée 1 h 30 à 500C sous agitation. Le mélange visqueux est repris par l'eau puis neutralisé et filtré. Le filtrat est ensuite concentré puis traité par le charbon actif avant évaporation à sec ou lyophilisation (41.5 g, 85 %). Caractéristiques - Pouvoir réducteur : 7 à 8 %. - Teneur résiduelle en glucose : 7 %. - Teneur résiduelle en fructose : négligeable. - Fraction non dialysable : 25 %. - Solubilité dans l'eau à 200C : 70 %. 25 - [&alpha;]D25+40 (c 1, H20). REVENDICATIONS 1. Procédé de préparation d'oligo- ou poly-osides ramifiés à partir d'au moins un glucide comportant au moins un motif structural de type cétose et, le cas échéant, un aldose, éventuellement additionné d'un aldose ou d'un polyaldoside, caractérisé en ce que ledit glucide est mis en réaction avec le fluorure d'hydrogène utilisé comme solvant et réactif, dans un rapport en poids glucide/fluorure d'hydrogène au moins égal à 2:1, et ensuite éliminé. 2. Procédé, selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit rapport glucide/fluorure d'hydrogène est compris entre 2:1 et 7:1. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, carac térisé en ce que le glucide est le saccharose. 4. Procédé, selon la revendication 2, caractérisé en ce que le glucide est le fructose, le sorbose, les kestoses, neokestose, erlose, gentianose, raffinose, melezitose, inuline ou levane. 5. Procédé, selon l'une des revendications précédentes, carac térisé en ce que le glucide, comportant au moins un motif cétose et un aldose, est mis en réaction seul avec HF. 6. Procédé, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'aldose ou le polyaldoside ajouté au glucide contenant au moins un motif cétose, est le glucose, le xylose, l'amidon, la cellulose, un xylane ou une hémicellulose. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que ledit rapport est compris entre 2:1 et 7:1, et de préférence compris entre 2:1 et 5:1. 8, Hétéro- oligo- et poly-osides ramifiés susceptibles d'être préparés selon l'une des revendications 1 à 7.