us4619995 - edible couting chitosan
TRANSCRIPT
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
1/7
United S t a t e s
P a t e n t [ 1 9 1
H a y e s
[ 5 4 ]
N,O-CARBOXYMETHYL
CHITOSAN
AND
PREPARATIVE METHOD THEREFOR
[ 7 5 ]
I n v e n t o r :
E r n e s t R . H a y e s ,
W o l f v i l l e ,
C a n a d a
[ 7 3 ]
A s s i g n e e : N o v a C h e m
L i m i t e d ,
H a l i f a x , C a n a d a
[ 2 1 ] A p p l . N o . :
6 8 5 , 5 5 9
[ 2 2 ]
F i l e d : D e c .
2 4 , 1 9 8 4
[ 5 1 ]
I n t .
C l . ‘ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . C08B 37/08
[ 5 2 ]
US. C l .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
5 3 6 / 2 0 ; 426/273;
4 2 6 / 3 0 2
[ 5 8 ]
Field
of Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
536/20
[ 5 6 ] R e f e r e n c e s C i t e d
U . S .
PATENT DOCUMENTS
3,560,480 2 / 1971 Kruger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536/114
3 , 9 5 3 , 6 0 8
4 /
1976 Vanlerberghe
e t
a 1 .
. . . . . .
536/20
4,063,016 1 2 / 1 977 Aust i n
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
53 6/ 20
4 , 1 9 5 , 1 7 5 3/1980 P e n i s t o n e t a 1 . 536/20
4,301,067
1 1/
1981
Koshugi . . . . . .
4 , 3 0 4 , 9 0 5 1 2 / 1 9 8 1
Koshugi
. .
4,308,377 1 2 / 1 98 1 Koshugi . . . . . . . . .
OTHER
PUBLICATIONS
L .
A .
N u d ’ g a
e t
a l . , “ O - A l k y l a t i o n o f c h i t o s a n ” , J o u r
4 , 6 1 9 , 9 9 5
O c t . 2 8 ,
1 9 8 6
[ 1 1 ]
P a t e n t
Number:
[ 4 5 ]
D a t e
o f
P a t e n t :
n a l o f G e n e r a l C h e m i s t r y o f t h e USSR, J u n . 1 ,
1 9 7 4 ,
p p .
2 7 2 9 - 2 7 3 2
T r a n s l a t i o n b y C o n su l t a n ts B u r e a u , P l e n u m
P u b l i s h i n g
C o r p . o f
Z h u r n a l
O b s h c h e i
K h i m i i , v o l . 4 3 ,
N 0 .
1 2 ,
p p . 2 7 5 2 - 2 7 5 6 , D e c . 1 9 7 3 ) .
R i c c a r d o A . A . M u z z a r e l l i e t
a 1 . ,
“ N - C a r b o x y m e t h y l i
d i n e ) C h i t o s a n s a n d N - C a r b o x y m e t h y l ) C h i t o s a n s :
N o ve l
Chelating
Polyampholytes ” , Carbohydrate
R e s e a r c h , 1 0 7 1 9 8 2 ) p p . 1 9 9 - 2 1 4 , E l s i v i e r S c i e n t i ? c
P u b l i s h i n g C o .
K o s h u g i e t a 1 . , “ C h e m . A b s t . ” ,
v o l . 9 5 ,
1 9 8 1 , p .
4 5 1 0 1 m ) .
H i r a n o
e t
a 1 ,
“Chem. A b s t . ” , v 0 1 . 9 5 , 1 9 8 1 , p . 1 1 3 8 9 1 .
P r i m a r y
E x a m i n e r - J o h n n i e
R . Brown
A t t o r n e y , A g e n t , o r
Firm-D.
Ron
M o r r i s o n
[ 5 7 ] ABSTRACT
A
n o v e l c h i t o s a n
d e r i v a t i v e , h a v i n g
c a r b o x y m e t h y l
s u b s t i t u e n t s on some
of
both
t h e
amino and
primary
h y d r o x y l s i t e s o f t h e g l u c o s a m i n e
u n i t s
o f t h e c h i t o s a n
s t r u c t u r e , i s
d i s c l o s e d , t o g e t h e r
w i t h
m e t h o d s f o r i t s
p r e p a r a t i o n s t a r t i n g
f r o m e i t h e r c h i t o s a n
o r c h i t i n .
8 C l a i m s , No D r a w i n g s
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
2/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
1
N,O-CARBOXYMETHYL
CHITOSAN
AND
PREPARATIVE METHOD THEREFOR
T h i s i n v e n t i o n r e l a t e s t o a
d e r i v a t i v e
o f c h i t o s a n ,
mor e
p a r t i c u l a r l y t o a c a r b o x y m e t h y l d e r i v a t i v e
t h e r e o f ,
a n d
s p e c i ? c a l l y t o t h e d e r i v a t i v e d e s i g n a t e d
a s
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n .
The
i n v e n t i o n a l s o r e
l a t e s
t o p r e p a r a t i v e m e t h o d s f o r t h e m a t e r i a l .
C h i t i n , a
p o l y s a c c h a r i d e ,
i s t h e
b i o p o l y m e r
s a i d t o
o c c u r
i n n a t u r e
i n g r e a t e r
q u a n t i t i e s t h a n any o t h e r
biopolymer e x c e p t c e l l u l o s e . I t s most c o m m o n
o c c u r
r e n c e i s
i n
t h e
s h e l l s o f
c r u s t a c e a n s ,
e g .
c r a b s ,
s h r i m p s
a n d l o b s t e r s ,
where
i t o c c u r s g e n e r a l l y i n a d m i x t u r e
w i t h
m i n e r a l
a n d
p r o t e i n a c e o u s
m a t e r i a l . B a s i c a l l y ,
c h i t i n
i s a p o l y m e r o f t h e
N - a c e t y l
g l u c o s a m i n e m o n o
m er
u n i t ,
a l t h o u g h
some o f t h e m o n o m e r u n i t s
i n i t s
s t r u c t ur e a r e d e v o i d o f t h e a c e t y l s u b s t i t u e n t and
c h i t i n
c o u l d m ore p r o p e r l y be
s a i d t o
be a
copolymer
o f
N
a c e t y l
g l u c o s a m i n e a n d g l u c o s a m i n e
m o n o m e r s ,
w i t h
t h e
l a t t e r
c o n s t i t u t i n g
a
v a r i a b l e
p r o p o r t i o n , g e ne r a l l y
from 1 2 t o
20
p e r c e n t o f t h e m o n o m e r u n i t s , u s u a l l y
substantially 1 6 to
17 percent.
\
C h i t o s a n i s d e r i v e d
f r o m
c h i t i n by r e m o v a l o f
m o s t
o f
t h e
a c e t y l
s u b s t i t u e n t s o n
t h e c o p o l y m e r ,
u s u a l l y
b y
h y d r o l y s i s ,
t o l e a v e a
c o p o l y m e r
h a v i n g g e n e r a l l y
f r o m
1 3 t o 1 7
p e r c e n t o f N - a c e t y l
g l u c o s a m i n e
m o n o m e r
u n i t s a n d c o r r e s p o n d i n g l y f r o m 8 7 t o
8 3
p e r c e n t o f
g l u c o s a m i n e
u n i t s
i n
i t s
s t r u c t u r e .
N a t u r a l l y o c c u r i n g
c h i t i n ,
c o n t a m i n a t e d
a s
i t
i s
w i t h
i n o r g a n i c
s a l t s , m o s t commonly some form o f
c a l c i u m
c a r b o n a t e , a n d
w i t h v a r i o u s p r o t e i n s , m u s t g e n e r a l l y b e
p r o c e s s e d
t o
remove
m o s t ,
i f n o t a l l ,
o f
t h e
c o n t a m i
n a n t s b e f o r e
i t can be
used
i n i n d u s t r i a l or commercial
a p p l i c a t i o n s .
Even
t h e
s i m p l e
d e a c e t y l a t i o n
o f
c h i t i n
t o
c h i t o s a n g e ne r a l l y r e q u i r e s t h a t “raw” o r “ c r u d e ” c h i
t i n , b e i n g
o b t a i n e d
f r o m a n a t ur a l s o u r c e , b e p r o c e s s e d
t o
“ p u r i ? e d ” form b e f o r e i t
can be h y d r o l y s e d
t o a n
a c c e p t a b l e c h i t o s a n . The t a s k o f
d e v e l o p i n g
u s e f u l a n d
p r o ? t a b l e
a p p l i c a t i o n s f o r
c h i t i n a n d c h i t o s a n i s b e s e t
w i t h a
number
o f p r o b l e m s , t h e
m o s t p r e s s i n g
o f which
h a s b e e n
s a i d
t o
b e
t h e n e e d
f o r s t a n d a r d , u n i f o r m mate
r i a l s t h a t c a n b e c a l l e d c h i t i n and
c h i t o s a n
v i d e : Chemi
c a l
a n d E n g i n e e r i n g
News,
1 4 May 1 9 8 4 , p a g e s 4 2 - 4 5 a t
p a g e 4 5 ) . T h u s , i n t h e
p r e s e n t
s t a t e
o f t h e a r t ,
i t
i s
w e l l
recognized t h a t c h i t i n
an d
c h i t o s a n a r e n o t
pure
o r
even
u n i f o r m m a t e r i a l s
a n d , a s
copolymers o f t h e same two
b a s i c m o n o m e r
u n i t s ,
t h e i r
c o m p o s i t i o n s
a r e bound t o
b e
s u b j e c t
t o
v a r i a t i o n s , f o r
e x a m p l e
i n r e l a t i v e
p r o p o r
t i o n s
o f t h e two
monomer
u n i t s , i n
d e g r e e
o f
p o l y m e r i
z a t i o n m o l e c u l a r w e i g h t ) , a n d d e g r e e o f s u b s t i t u t i o n
f o r
v a r i o u s d e r i v a t i v e s
m a d e
t h e r e f r o m . Such v a r i a t i o n s
i n
c o m p o s i t i o n a r e bound t o
b e r e s p o n s i b l e
f o r some
v a r i a t i o n s
i n
p r o p e r t i e s
o f
t h e
m a t e r i a l s , a n d
i t
c a n b e
r e a d i l y u n d e r s t o o d why
i t would
b e a d v a n t a g e o u s t o
o b t a i n
m a t e r i a l s o f c o n s i s t e n t c o m p o s i t i o n , s o
t h a t
mate
r i a l s o f u n i f o r m p r o p e r t i e s would b e
a v a i l a b l e
f o r v a r i
o u s i n d u s t r i a l
a n d
c o m m e r c i a l
a p p l i c a t i o n s .
C a r b o x y m e t h y l d e r i v a t i v e s o f b o t h c h i t i n a n d c h i t o
s a n have be e n r e f e r r e d
t o i n t h e
l i t e r a t u r e . R . C .
C a p o z z a ,
i n US. P a t .
N o . 3 , 9 1 1 , 0 9 8 i s s u e d 7 O c t o b e r
1 9 7 5 ,
a t
column 4 ,
l i n e s
2 7 - 3 7 , h a s c h a r a c t e r i z e d c a r
b o x y m e t h y l
c h i t i n
a s
p o l y [ N - a c e t y l - 6 - O - c a r b o x y m e
t h y l ) - D - g l u c o s a m i n e ] .
T h i s
i s
o n l y a n
a p p r o x i m a t i o n t o
t h e p r o b a b l e
s t r u c t u r e ,
a s i t c o m p l e t e l y i g n o r e s t h e
p r e s e n c e ,
i n
t h e
c o ) p o l y m e r
c h a i n , o f t h e n ow
r e c o g
n i z e d
p r o p o r t i o n
o f
g l u c o s a m i n e
u n i t s ,
i n w h i c h u n i t s
t h e r e i s n o
a c e t y l
s u b s t i t u e n t on t h e n i t r o g e n a t o m .
I t
20
2 5
4 5
50
5 5
6 5
2
a p p e a r s t h a t
Capozza
i n t e n d e d
t o
h a v e
a l l t h e
a m i n e
n i t r o g e n a t o m s
i n t h e c o p o l y m e r b l o c k e d b y a c e t y l
g r o u p s
a n d
t h u s h a v e
a l l s u b s t i t u e n t c a r b o x y m e t h y l
g r o u p s
r e s t r i c t e d
t o
a t t a c h m e n t
a t t h e 6 - 0 p o s i t i o n s .
However, a t column 5 l i n e s 7 - 9
o f
t h e
p a t e n t ,
C a p o z z a
a c k n o w l e d g e s t h a t s o m e , a p p a r e n t l y v e r y m i n o r p r o
p o r t i o n ,
o f
t h e
a t t a c h m e n t
may
o c c u r
a t
t h e
3 - 0
p o s i
t i o n s ,
b u t
n o r e c o g n i t i o n i s g i v e n
t o
t h e p o s s i b i l i t y
o f
a t t a c h m e n t
o f a
carboxymethyl
group
a t
any 2-N s i t e
which
i s
n o t b l o c k e d
by
an
a c e t y l
g r o u p . Other r e
s e a r c h e r s a l s o h a v e r e p o r t e d t he p r e p a r a t i o n o f t h e
c a r b o x y m e t h y l
d e r i v a t i v e o f c h i t i n , e g . R . T r u j i l l o i n
C a r b o h y d .
R e s .
Z , 4 8 3 - 4 8 5 1 9 6 8 ) ; R . H .
Hackman
a n d
M .
G o l d b e r g , i b i d
3 8 ,
1 9 7 4 )
3 5 - 4 5 ; D a n i l o v a n d
P l i s k o ,
Z h u r n a l O b s h c h e i K h i m i i ,
V o l . 3 1 , N o . 2 ,
4 6 9 - 4 7 3
F e b .
1 9 6 1 ) ;
a n d
E . H u l t i n , A c t a
C h e m .
S c a n d . 9 1 9 5 5 ) N o . 1 ,
p g s .
1 0 2 - 1 0 3 .
None
o f t h e s e d e a l t
w i t h
t h e c a r b o x y
m e t h y l
d e r i v a t i v e s
o f
c h i t o s a n .
I n c o n t r a s t
t o
c h i t i n , i n which most o f t h e
amino
g r o u p s
a r e p r o t e c t e d f r o m p o s s i b l e a l k y l a t i o n b y b l o c k
a g e o f
t h e n i t r o g e n
s i t e
w i t h a n
a c e t y l
g r o u p , c h i t o s a n
h a s
m a n y
f r e e a m i n o
groups
which
a r e
ope n t o a l k y l a
t i o n
a n d
c a r b o x y a l k y l a t i o n )
a l o n g
w i t h t h e h y d r o x y
g r o u p s
i n
t h e c h i t o s a n . T h i s was n o t e d
i n
t h e J o u r n a l
o f
G e n e r a l C h e m i s t r y o f
t h e
USSR
b y L . A . N u d ’ g a ,
E .
A .
P l i s k o , a n d S . N . D a n i l o v
Z h .
O b s h c h .
K h i m .
1 9 7 3 ,
4 3 1 2 ) , 2 7 5 2 - 6 ) , who d i s c l o s e d t h e p r e p a r a t i o n o f O
c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n . The s p e c i ? c
O - a l k y l a t i o n w a s
a c h i e v e d by
f o r m i n g a S c h i f f
b a s e o f t h e
c h i t o s a n ,
e g .
w i t h
s a l i c y l a l d e h y d e , a n d r e a c t i n g
t h i s b a s e i n a l k a l i n e
medium w i t h s o d i u m m o n o c h l o r o a c e t a t e ;
O - c a r b o x
y m e t h y l c h i t o s a n w a s
r e c o v e r e d
b y r e g e n e r a t i o n f r o m
t h e S c h i f f b a s e , b u t
l i t t l e
i n f o r m a t i o n on t h e n a t u r e
a n d
p r o p e r t i e s o f t h e
p r o d u c t
w a s g i v e n .
To
p r e p a r e
t h e
c o r r e s p o n d i n g
N - s u b s t i t u t e d d e r i v a
t i v e , N - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n ,
R . A . A . M u z z a r e l l i
e t
a l . C a r b o h y d r a t e
R e s e a r c h
1 0 7
1 9 8 2 ) 1 9 9 - 2 1 4 )
r e a c t e d
c h i t o s a n w i t h g l y o x y l i c a c i d t o p r o d u c e
a
s o l u b l e g e l
f o r m i n g
i m i n e a
S h i f f
b a s e ) ,
t h e n r e d u c e d
t h e l a t t e r
w i t h s u i t a b l e
r e d u c i n g a g e n t , e g . c y a n o b o r o h y d r i d e , t o
g i v e t h e d e s i r e d N - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n .
W i t h
t h e
m e t h o d o f
p r e p a r a t i o n , t h e c a r b o x y m e t h y l s u b s t i t u e n t
c l e a r l y
was p l a c e d
e x c l u s i v e l y o f t h e N - a t o m ,
w i t h no
O - s u b s t i t u t i o n
t a k i n g
p l a c e .
T h e s e a u t h o r s p r o d u c e d a
s e r i e s o f
t h e
p r o d u c t s
h a v i n g
v a r i o u s
d e g r e e s
o f
c e t y l a
t i o n a n d N - c a r b o x y m e t h y l a t i o n a n d
c h a r a c t e r i z e d them
t o
some
e x t e n t , e g . v i s c o s i t y and
i n f r a - r e d s p e c t r o m e t r y ;
t h e p r o d u c t s were a l s o a s s e r t e d
t o
h a v e c h e l a t i n g pow
e r s f o r
m e t a l
i o n s .
I t
h a s n o w b e e n f o u n d
t h a t c a r b o x y m e t h y l s u b s t i t u t e d
c h i t o s a n s
h a v i n g
c a r b o x y m e t h y l s u b s t i t u e n t s b o t h o n
som e o f t h e hydroxyl oxygen atoms and
on
som e of h e
n i t r o g e n
a t o m s o f
t h e
g l u c o s a m i n e u n i t s c a n b e p r e
p a r e d ,
a n d t h a t s u c h s u b s t i t u t e d c h i t o s a n s , d e s i g n a t e d a s
N,O—carboxymethyl
c h i t o s a n , a r e w a t e r s o l u b l e and
h a v e
d i s t i n c t i v e
a n d
u n i q u e
p r o p e r t i e s r e n d e r i n g t h e m
e f f e c t i v e
t o form
s e l e c t i v e l y p e r m e a b l e
?lms o r mem
b r a n e s .
B e c a u s e
o f t h e s e l e c t i v e p e r m e a b i l i t y , t h e s e
f i l m s
a r e
p a r t i c u l a r l y
v a l u a b l e
a s f o o d p r e s e r v a t i v e s .
The n v e n t i o n
t h u s c o n s i s t s
i n t h e s u b s t i t u t e d c h i t o s a n
p r o d u c t
w h i c h
i s
i d e n t i ? e d
a s
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i
t o s a n . The
i n v e n t i o n
f u r t h e r c o n s i s t s i n
p o l y m e r
? l m s
s e l e c t i v e l y
p e r m e a b l e
t o v a r i o u s g a s e s
a n d
c o n s i s t i n g
o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n . The i n v e n t i o n
s t i l l
f u r
t h e r
c o n s i s t s
i n t h e m e t h o d f o r p r e p a r a t i o n o f N , O - c a r
b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
w h i c h c o m p r i s e s 1 .
d i s p e r s i n g
s o l i d
c h i t o s a n i n a l i q u i d
medium
o f t h e g r o u p c o n s i s t i n g
o f
i s o p r o p y l
a l c o h o l , n - b u t a n o l , i s o b u t a n o l , m e t h y l
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
3/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
3
e t h y l k e t o n e , t o l u e n e , a n d
e t h a n o l - t o l u e n e
m i x t u r e s
c o n t a i n i n g a t l e a s t 7 2 mole
p e r c e n t
t o l u e n e , t o f o r m
a
s l u r r y , 2 . s t e e p i n g
t h e
c h i t o s a n i n
c a u s t i c
medium
b y
a d d i n g s t r o n g a q u e o u s s o d i u m h y d r o x i d e
s o l u t i o n
t o t h e
s l u r r y , i n
a p r o p o r t i o n o f t h r e e
t o e i g h t m o l s
s o d i u m
h y d r o x i d e
p e r
mol
o f g l u c o s a m i n e
monom er
u n i t
i n
t h e
c h i t o s a n , w i t h s t i r r i n g t o m a i n t a i n t h e c h i t o s a n d i s
p e r s e d i n t h e t h e c a u s t i c medium
f o r
a
p e r i o d
o f f r o m
0 . 5 t o
1 . 0
h o u r s , 3 . t h e r e a f t e r a d d i n g mo n o c h l o r o a c e t i c
a c i d
t o
t h e c a u s t i c medium, i n a p r o p o r t i o n o f s u b s t a n
t i a l l y
on e m ol of
t h e a c i d f o r each 1 . 8 t o 2 . 2
mols of
sodium h y d r o x i d e i n
t h e c a u s t i c medium, t h e n
h e a t i n g
t h e s l u r r y
w i t h
c o n t i n u e d s t i r r i n g t o a r e a c t i o n t e m p e r a
t u r e o f
f r o m s u b s t a n t i a l l y
4 0 ° C .
t o s u b s t a n t i a l l y 7 0 °
C .
4 . m a i n t a i n i n g t h e s t i r r e d s l u r r y a t t h e r e a c t i o n t e m p e r a
t u r e f o r
a r e a c t i o n p e r i o d o f s u b s t a n t i a l l y two t o t w e l v e
h o u r s
a n d s u f ? c i e n t t o
c o m p l e t e
r e a c t i o n b e t w e e n t h e
c h i t o s a n
and sodium
m o n o c h l o r o a c e t a t e t o
form
N,O
c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n ,
5 .
a d d i n g a n y n e c e s s a r y
s m a l l
p o r t i o n
o f w a t e r
t o
t h e
s l u r r y t o
e n a b l e
measurement
o f
t h e pH
o f
t h e s u s p e n d i n g l i q u i d , t h e n
a d d i n g g l a c i a l
a c e t i c a c i d
t o
t h e s l u r r y
u n t i l i t s pH i s l o w e r e d t o s u b
s t a n t i a l l y 7 . 0 , a n d 6 .
r e c o v e r i n g t h e
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n p r o d u c t f r o m
t h e s l u r r y b y
s e p a r a t i n g
t h e
s o l i d
t h e r e o f and washing same w i t h s o l v e n t s
t o remove
e x t r a n e o u s s a l t s
w i t h o u t
d i s s o l v i n g t h e p r o d u c t .
T h r o u g h o u t t h i s s p e c i ? c a t i o n a n d c l a i m s , a l l
p r o p o r
“ t i o n s , p e r c e n t a g e s , and
r a t i o s
a r e u s e d on a
weight
b a s i s
u n l e s s
otherwise
s p e c i ? c a l l y
i n d i c a t e d .
The
m e t h o d s
f o r p r e p a r i n g
t h e
p o l y m e r i c m a t e r i a l s
o f
v t h i s i n v e n t i o n u s e r e a c t i o n s g e n e r a l l y s i m i l a r
t o
s u b s t i t u
t i o n r e a c t i o n s t h a t h a v e b e e n
u s e d
i n
t h e r t
f o r
c a r b o x
y m e t h y l a t i o n
o f
c e l l u l o s e ,
c h i t i n a n d
c h i t o s a n .
Ho w
e v e r ,
b e c a u s e
c h i t i n and c h i t o s a n have v a r i a b l e compo
s i t i o n s
a n d p r o p e r t i e s ,
e g . m o l e c u l a r w e i g h t
a n d r e l a t i v e
p r o p o r t i o n s o f m o n o m e r u n i t s
a s p r e v i o u s l y
n o t e d ,
i t
i s
important t o
c o n t r o l t h e
r e a c t i o n
c o n d i t i o n s
c a r e f u l l y
t o
‘ a c h i e v e t h e d e s i r e d u n i f o r m
a n d c o n s i s t e n t
p r o d u c t s .
The
f o l l o w i n g e x a m p l e
i s g i v e n
t o i l l u s t r a t e a
p r e
f e r r e d l a b o r a t o r y p r o c e d u r e
f o r
p r e p a r a t i o n
o f
a p a r t i c
u l a r p r o d u c t h a v i n g v a l u a b l e
p r o p e r t i e s
a s
a
f o o d
p r e
s e r v a t i v e .
EXAMPLE
To 2 0 . 0 g o f a
commerical
c h i t o s a n p r o d u c t o b t a i n e d
from
J a p a n ,
2 0 0 mL
f i s o p r o p y l a l c o h o l was
a d d e d
and
t h e r e s u l t i n g s l u r r y s t i r r e d i n a one l i t e r
? a s k
a t 2 5 °
C .
To
t h e s t i r r e d s l u r r y ,
o v e r a p e r i o d
o f
2 0
m i n u t e s , 5 0 . 4
mL
f
ION aqueous NaOH o l u t i o n was
added
i n s i x
e q u a l p o r t i o n s a t f o u r m i n u t e i n t e r v a l s . The a l k a l i n e
s l u r r y
was s t i r r e d
f o r
an
a d d i t i o n a l 4 5
m i n u t e s , t h e n
2 4 . 0
g
o f s o l i d m o n o c h l o r o a c e t i c
a c i d a d d e d i n ?ve e q u a l
p o r t i o n s a t ?ve
m i n u t e
i n t e r v a l s
o v e r
a
p e r i o d o f
t w e n t y
m i n u t e s . H e a t was t h e n
a p p l i e d t o
b r i n g
t h e
r e a c t i o n
m i x t u r e
t o
a
t e m p e r a t u r e
o f 6 0 °
C . and
s t i r r i n g a t t h i s
t e m p e r a t u r e
was c o n t i n u e d f o r
t h r e e h o u r s .
Next 1 7 mL
o f c o l d d i s t i l l e d water was
added t o t h e
m i x t u r e and
i t s
m e a s u r e d
p H ,
d e t e r m i n e d w i t h a
pH m e t e r , a d j u s t e d t o
7 . 0 b y a d d i t i o n o f
g l a c i a l
a c e t i c a c i d . The r e a c t i o n m i x
t u r e was t h e n ? l t e r e d
and
t h e s o l i d p r o d u c t
added
t o
3 0 0 mL
f
a
7 0
v/v
methanol/ ater
m i x t u r e
i n
which
i t was s t i r r e d
t o wash t h e p r o d u c t . The s o l i d p r o d u c t
was
a g a i n ? l t e r e d t h e n d i s p e r s e d i n
3 0 0
mL f a n h y
d r o u s methanol
i n
which i t
was
s t i r r e d t o wash t . The
washed p r o d u c t was ? n a l l y ? l t e r e d ,
c o l l e c t e d a n d d r i e d
o v e r n i g h t
i n an
oven
a t
6 0 ° C . Y i e l d
of
t h e r e s u l t a n t
N,O-carboxymethyl c h i t o s a n p r o d u c t was 3 0
g r a m s .
3 0
40
4 5
5 5
6 0
6 5
4
U s i n g t h e f o r e g o i n g
p r o c e d u r e ,
b u t w i t h t h e mo n o
c h l o r o a c e t i c
a c i d l a b e l l e d w i t h
c a r b o n - l 3 ,
a s a m p l e o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n was p r e p a r e d f o r n u c l e a r
m a g n e t i c r e s o n a n c e s p e c t r o s c o p y . The
NMR
p e c t r u m
o f t h e p r o d u c t
l a b e l l e d
w i t h
C - 1 3
con?rmed t h e p r e s
e n c e o f b o t h
-—NH13CH2COONa
a n d
-—O13CH
ZCOONa
g r o u p s
w i t h t h e
p e a k a t t r i b u t e d
t o
t h e
l a t t e r
g r o u p
b e i n g c o n s i d e r a b l y l a r g e r t h a n
t h a t
o f t h e f o r m e r .
S a m p l e s
o f N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n , p r e p a r e d
a s
d e s c r i b e d i n E x a m p l e 1 a b o v e , d i s s o l v e r e a d i l y i n w a t e r
t o
f o r m
1 o l u t i o n s t h a t can be
coated
o n
a
s u b s t r a t e
and d r i e d t o
form
polymer
? l m s .
The
?lms have
s e l e c
t i v e p e r m e a b i l i t y f o r g a s e s , a n d t h e f o r e g o i n g
1
s o l u
t i o n s c a n b e
c o a t e d on
v a r i o u s d e l i c a t e
p r o d u c t s , f o r
e x a m p l e f r u i t , v e g e t a b l e s , h a t c h e r y e g g s a n d t a b l e e g g s ,
t o
f o r m p r e s e r v a t i v e
? l m s o f r e m a r k a b l e e f f e c t i v e n e s s .
As a n
i l l u s t r a t i o n o f t h i s
e f f e c t i v e n e s s , i t was f o u n d t h a t
when
p p l e s , r i p e f o r s t o r a g e , w e r e d i p p e d i n o r s p r a y e d
w i t h a 1 a q u e o u s s o l u t i o n o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
m a d e
a s
d e s c r i b e d a b o v e ,
t h e
? l m
formed
on
t h e a p p l e s
had
s e l e c t i v e p e r m e a b i l i t y t o t h e ga s e s c a r
bon d i o x i d e , e t h y l e n e , a n d o x y g e n .
The
?lm
r e t a i n e d
c a r b o n d i o x i d e w i t h i n t h e a p p l e s ,
k e p t
o x y g e n
o u t , a n d
a l l o w e d
e t h y l e n e
t o e s c a p e f r o m t h e a p p l e s
t h r o u g h
t h e
? l m ,
t o
t h e
e x t e n t
t h a t t h e
u s e f u l l i f e o f
t h e c o a t e d
a p
p l e s , s t o r e d
a t n o r m a l
low
s t o r a g e
t e m p e r a t u r e , was
e x t e n d e d b y s e v e r a l m o n t h s .
A
lm f o r m e d b y d i p p i n g
a n
a p p l e i n 1 s o l u t i o n
a s a f o r e s a i d
was
examined by
e l e c t r o n m i c r o s c o p y ;
p h o t o g r a p h s s h o w e d
t h a t
t h e ?lm
was a c o n t i n u o u s
c o a t i n g which
a p p e a r e d t o be
w e l l
a t t a c h e d
t o t h e
a p p l e s k i n , f o l l o w e d
t h e
c o n t o u r s
o f t h e
s u r f a c e , and had a f a i r l y
u n i f o r m
t h i c k n e s s o f a
f e w ,
g e n e r a l l y
o n e
t o f o u r ,
m i c r o n s .
R e g u l a r c o n s u m p t i o n o f
s a m p l e s o f s u c h c o a t e d
a p p l e s
f o r
s e v e r a l
m o n t h s
b y
r e s e a r c h
w o r k e r s
p r o d u c e d no o b s e r v a b l e
e f f e c t s a t t r i b
u t a b l e t o
t h e
c o a t i n g s .
Films
of o n e
t o t e n
micron
t h i c k n e s s
appear
t o
be
s a t i s f a c t o r y f o r
t h e d e s i r e d p r e s e r v a t i v e a c t i o n f o r a p
p l e s a s d e s c r i b e d a b o v e .
S i m i l a r e x c e l l e n t s u c c e s s h a s
b e e n a c h i e v e d i n e x t e n d i n g t h e s t o r a g e l i f e
o f
B a r t l e t t
p e a r s
f o r s e v e r a l m o n t h s b y c o a t i n g t h e m
w i t h
N , 0 - c a r
b o x y m e t h y l c h i t o s a n ? l m s b e f o r e
s t o r a g e ,
a s d e s c r i b e d
f o r t h e a p p l e s
a b o v e .
O t h e r p r o d u c t s
recommended
f o r
c o a t i n g w i t h N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
t o i m p r o v e
s t o r a g e q u a l i t y i n c l u d e f o r e x a m p l e p e p p e r s , t o m a t o e s ,
c a u l i ? o w e r , b r u s s e l s p r o u t s , s t r a w b e r r i e s , s q u a s h ,
a n d
t a b l e e g g s , a l l d e s t i n e d f o r
human c o n s u m p t i o n .
The
c o a t i n g
o f
h a t c h e r y e g g s
w i t h ? l m s o f
t h e
p r o d
u c t o f
t h i s
i n v e n t i o n h a s a l s o b e e n
f o u n d
t o improve t h e
h a t c h i n g r a t e o f s u c h e g g s which must b e s t o r e d f o r up
t o
t h r e e
w e e k s ,
e g .
f o r
p u r p o s e
o f
t r a n s p o r t a t i o n t o a
r e m o t e
l o c a t i o n
h a t c h e r y , b e f o r e b e i n g h a t c h e d . The
y i e l d o f t h r i v i n g
h a t c h e d
c h i c k s i s
s i g n i ? c a n t l y
i m
p r o v e d b y
t h e c o a t i n g , a n d t h e p r o c e d u r e d o e s n o t
c a u s e e n t r y o f t h e c o a t i n g
m a t e r i a l
i n t o human d i e t ,
h e n c e
t h e
p r o c e d u r e d o e s n o t
r e q u i r e
a p p r o v a l f r o m
government f o o d
o r
h e a l t h a d m i n i s t r a t o r s f o r u t i l i z a
t i o n .
I n a d d i t i o n t o i t s
p r o p e r t y
o f f o r m i n g ? l m s
s e l e c t i v e l y
p e r m e a b l e
b y v a r i o u s
g a s e s ,
t h e
p r o d u c t
o f
t h i s i n v e n
t i o n h a s o t h e r p r o p e r t i e s which
c a n
c r e a t e s i g n i ? c a n t
u t i l i t y
f o r
t h e p r o d u c t .
F o r
e x a m p l e ,
N , O - c a r b o x
y m e t h y l c h i t o s a n
h a s
b e e n
f o u n d
t o
form
some t y p e o f
c h e m i c a l b o n d i n g
w i t h
i o n s
o f
numerous h e a v y m e t a l
e l e m e n t s , t h u s b i n d i n g o r s e q u e s t e r i n g them f r o m a q u e
o u s s o l u t i o n w h e n
t h e y
a r e
p r e s e n t
i n even
o n l y v e r y
d i l u t e
c o n c e n t r a t i o n s , e g . 1 0
t o 1 , 0 0 0 ppm.
With h i g h e r
c o n c e n t r a t i o n s o f t h e s e
e l e m e n t s , e g .
1 0 0
t o 1 0 , 0 0 0
ppm,
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
4/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
5
l a q u e o u s s o l u t i o n s o f N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n
g r a d u a l l y
f o r m s t i f f
g e l s
which
a r e
r e s i s t a n t
t o
d i s s o l u
t i o n b y
a d d i t i o n a l
w a t e r . T h i s p r o p e r t y s u g g e s t s
p o t e n
t i a l
u s e o f
aqueous
N,O-carboxymethy1
c h i t o s a n
s o l u
t i o n s f o r p l u g g i n g
p o r o u s
u n d e r g r o u n d s t r a t a a d j a c e n t
o i l a n d g a s w e l l d r i l l i n g s i t e s , t o p e r m i t
b e t t e r r e t e n t i o n
o f
p r e s s u r e
i n
a
d r i l l
h o l e
o r
i n
a n
i n j e c t i o n
w e l l .
E x a m
p l e s o f
t h e heavy m e t a l e l e m e n t s
whose i o n s
c a u s e
a q u e
o u s N,O-carboxymethyl
c h i t o s a n s o l u t i o n s
t o
g e l
a r e :
i r o n ,
c o p p e r ,
m e r c u r y , n i c k e l ,
s i l v e r ,
z i n c , a n d t o
some
e x t e n t
c a l c i u m ; o t h e r h e a v y m e t a l i o n s a l s o may b e
f o u n d
t o p a r t i c i p a t e i n t h i s u t i l i t y b u t b a r i u m ,
v a n a d i u m ,
t i n , cadmium, a l u m i n u m , a n d
magnesium do
n o t
do
s o .
A n o t h e r
v a l u a b l e p r o p e r t y o f
t h e
p r o d u c t o f t h i s
i n v e n t i o n i s i t s
a b i l i t y
t o r e a c t i n a q u e o u s s o l u t i o n w i t h
c r o s s - l i n k i n g c o m p o u n d s , f o r e x a m p l e g l y o x a l
a n d
o t h e r
d i a l d e h y d e s , c a p t a n , a n d
o t h e r
d i k e t o n e s ;
when
t h e c r o s s - l i n k i n g
compounds
a r e p r e s e n t
i n
s m a l l p r o
p o r t i o n s , e g . 5
b y
w e i g h t
o f
t h e
p o l y m e r ) ,
t h e y
s l o w l y f o r m a
g e l
b y
c r o s s - l i n k i n g
w i t h N , O - c a r b o x
y m e t h y l c h i t o s a n ; when
t h e y
a r e a d d e d i n
h i g h e r
p r o
p o r t i o n s , e g . 0 . 5 - 1 1 b y w e i g h t o f t h e p o l y m e r )
t o
a q u e
o u s
s o l u t i o n s
o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n ,
t h e y
c a u s e
t h e a l m o s t i n s t a n t a n e o u s f o r m a t i o n o f a s t i f f g e l .
So
r a p i d
i s
t h e
f o r m a t i o n o f
t h e
g e l
f r o m t h e a q u e o u s
s o l u t i o n
t h a t ,
i f s t i r r i n g
t h e r e o f
t o d i s t r i b u t e
t h e r e a c t a n t
u n i f o r m l y
t h r o u g h o u t t h e
s o l u t i o n h a s e n t r a p p e d
a n y
a i r b u b b l e s
b e n e a t h t h e s o l u t i o n s u r f a c e , t h e
a i r b u b b l e s
b e c o m e e n t r a p p e d p e r m a n e n t l y i n t h e g e l ; t h e g e l a t i o n
o f
t h e
s o l u t i o n
d e s t r o y s
i t s
m o b i l i t y
a n d r e n d e r s t h e
s t i r r i n g i n e f f e c t i v e
a n d
t h e s o l u t i o n i m m o b i l e . S u c h
g e l
f o r m i n g
p r o p e r t i e s may
b e
u s e f u l
t o
a s s i s t s e p a r a t i o n o f
w a t e r
from
o r g a n i c
s o l v e n t s ,
a s
w e l l
a s i n
o i l w e l l
p r e s
s u r e r e t e n t i o n
a s described
above.
The
i n v e n t i o n t h us f u r t h e r
c o n s i s t s i n
w a t e r
r e s i s t a n t
g e l s made f r o m a q u e o u s s o l u t i o n s o f N , O - c a r b o x —
y m e t h y l
c h i t o s a n b y r e a c t i o n
o f
s a i d
s o l u t i o n s
w i t h
aqueous
s o l u t i o n s o f i o n s o f m e t a l s
o f
t h e group c o n s i s t
i n g o f i r o n , c o p p e r , m e r c u r y , n i c k e l ,
s i l v e r ,
z i n c ,
a n d
c a l c i u m , o r
b y
r e a c t i o n o f s a i d N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
s o l u t i o n s
w i t h
c r o s s - l i n k i n g c o m p o u n d s
o f
t h e
g r o u p
c r o s s - l i n k i n g d i a l d e h y d e s
a n d c r o s s
l i n k i n g d i k e
t o n e s .
R e f e r e n c e h a s b e e n
m a d e e a r l i e r
h e r e i n
t o
t h e
i m p o r
t a n c e
o f c o n t r o l l i n g
t h e
r e a c t i o n
c o n d i t i o n s
u s e d i n
o r d e r
t o o b t a i n d e s i r a b l e u n i f o r m and
c o n s i s t e n t prod
u c t s . The n a t ur e o f t h e most
i m p o r t a n t
o f t h e s e f a c t o r s
w i l l now
be d i s c u s s e d .
To b e g i n
w i t h , “raw” o r
“ c r u d e ” c h i t i n , t o b e p r o
c e s s e d
i n t o
a
p u r i ? e d
f o r m ,
m u s t b e
s u b j e c t e d t o
g e n e r
a l l y
s e v e r e
o r h a r s h c o n d i t i o n s , e g .
s t r o n g a c i d s and
e l e v a t e d t e m p e r a t u r e t o remove c a l c i u m c a r b o n a t e
i m p u r i t y .
S u c h c o n d i t i o n s c a n a l s o d e g r a d e a n d r a d i
c a l l y r e d u c e t h e
m o l e c u l a r
w e i g h t
o f
t h e
p o l y m e r
c h a i n s o f c h i t i n , l e a v i n g a low m o l e c u l a r
w e i g h t
“ p u r i
? e d ” p r o d u c t w h o s e
d e r i v a t i v e s
w i l l
l i k e w i s e
b e o n l y o f
l o w m o l e c u l a r w e i g h t .
S i m i l a r l y , t h e
c o n v e r s i o n o f
c h i t i n i n t o
c h i t o s a n
m a y be
c a r r i e d
o u t under h a r s h o r
s e v e r e c o n d i t i o n s , e g . s t r o n g a q u e o u s c a u s t i c s t e e p i n g ,
which
c a n
f u r t h e r
r e d u c e
t h e
m o l e c u l a r
c h a i n l e n g t h
o f
t h e p o l y m e r i c
m a t e r i a l .
T h u s t o o b t a i n N , O - c a r b o x
y m e t h y l
c h i t o s a n s o f u n i f o r m
a n d
c o n s i s t e n t
p r o p e r t i e s ,
i t
i s i m p o r t a n t : a ) t o h a v e
a
s u p p l y o f “ p u r i ? e d ” c h i t i n
s t a r t i n g
m a t e r i a l
o f
r e a s o n a b l y
u n i f o r m
p r o p e r t i e s ,
b )
f o r t h e
c h i t o s a n
p r e p a r e d t h e r e f r o m t o b e p r e p a r e d
u n d e r c o n s i s t e n t a n d
u n i f o r m
c o n d i t i o n s ,
a n d c )
f o r t h e
c a r b o x y m e t h y l a t i o n
o f t h e c h i t o s a n
t o
f o r m t h e
p r o d
u c t s o f t h i s i n v e n t i o n t o be c a r r i e d o u t u n d e r c a r e f u l l y
2 5
30
4 0
45
5 5
6 0
6 5
6
c o n t r o l l e d c o n d i t i o n s . The r e q u i r e m e n t s o f c r i t e r i a a )
a n d
b )
n o t e d a b o v e c a n b e met by c o n d i t i o n s
e s t a b
l i s h e d i n t h e
a r t .
The c o n d i t i o n s r e f e r r e d t o i n c r i t e r i o n
c )
above
a r e now o
be
i n d i c a t e d .
B e i n g a
s o l i d
b i o p o l y m e r i c m a t e r i a l , c h i t o s a n i s un
d e r s t o o d t o b e made u p o f r a n d o m l y c o i l e d , i n t e r
t w i n e d ,
a n d
i n t e r l o c k e d
p o l y m e r
c h a i n
m o l e c u l e s . I n
o r d e r t o i n s e r t s u b s t i t u e n t s a t a combination o f
d e s i g
n a t e d
p o s i t i o n s
i n t h e m o l e c u l e s o f t h e s e p o l y m e r
c h a i n s ,
i t
i s n e c e s s a r y t o l o o s e n
t h e
c o i l i n g a n d
i n t e r
l o c k i n g o f t h e c h a i n s b y
s w e l l i n g
t h e
s o l i d
p o l y m e r ,
w h i l e
i t
i s
s l u r r i e d i n a n a p p r o p r i a t e
l i q u i d ,
w i t h
s o d i u m
h y d r o x i d e
added
t o t h e
d i s p e r s i n g
l i q u i d a s a s t r o n g
a q u e o u s
c a u s t i c s o l u t i o n .
The
c a u s t i c s o l u t i o n s h o u l d
b e
c o n c e n t r a t e d , e g . b e t w e e n
2 5
a n d 50 c a u s t i c , t o
m i n i m i z e t h e p r o p o r t i o n o f w a t e r i n t r o d u c e d
t o
t h e
s y s t e m w h i l e
e n s u r i n g e f f e c t i v e n e s s
o f p e n e t r a t i o n o f
t h e i n t e r l o c k i n g o f p o l y m e r
c h a i n s .
The p r o p o r t i o n
o f
s o d i u m
h y d r o x i d e
t h a t b e n e ? c i a l l y i s u s e d r a n g e s f r o m
s u b s t a n t i a l l y t h r e e t o e i g h t m o l s p e r mol o f g l u c o s a m i n e
m o n o m e r
u n i t s i n t h e
c h i t o s a n
t o be r e a c t e d .
The
water
t h a t a c c o m p a n i e s t h e
p r o p o r t i o n
o f s o d i u m h y d r o x i d e
i n t h e a q u e o u s c a u s t i c
s o l u t i o n
a l s o i s a b s o r b e d b y t h e
c h i t o s a n ,
t o some e x t e n t a t l e a s t ,
h e n c e
c o n c e n t r a t e d
(25
t o
50 ) c a u s t i c s o l u t i o n s
a r e
u s e d t o p r o v i d e
o p t i m u m
p e n e t r a t i o n
b y
s o d i u m h y d r o x i d e w h i l e p e n e
t r a t i o n b y t h e w a t e r
i s o c c u r r i n g .
The
p e n e t r a t i o n b y
w a t e r a n d s o d i u m h y d r o x i d e i s n o t
i n s t a n t a n e o u s , a n d
a
s t e e p i n g
p e r i o d o f a t
l e a s t
h a l f a n h o u r ,
p r e f e r r a b l y
s u b s t a n t i a l l y o n e
h o u r , w i t h c o n t i n u o us
s t i r r i n g
i s a l
lowed f o r p e n e t r a t i o n t o o c c u r . L i q u i d s
which a r e
ap
p r o p r i a t e f o r
s l u r r y i n g
t h e c h i t o s a n f o r
t h i s
s w e l l i n g
a c t i o n i n c l u d e i s o p r o p a n o l , n - b u t a n o l , i s o b u t a n o l ,
m e t h y l
e t h y l
k e t o n e , t o l u e n e , a n d e t h a n o l - t o l u e n e m i x
t u r e s
c o n t a i n i n g
a t l e a s t
7 2
mol
p e r c e n t t o l u e n e .
Gener
a l l y t h e y
may
b e s a i d
t o
b e l i q u i d s w h i c h do n o t
d i s s o l v e
n o r s o f t e n c h i t o s a n
b u t
d o e f f e c t i v e l y d i s t r i b u t e t h e
a q u e o u s
c a u s t i c s o l u t i o n
between t h e
p a r t i c l e s o f
c h i t o
s a n
i n
t h e
s l u r r y . O t h e r
l i q u i d s h a v e b e e n
t r i e d
a n d
f o u n d t o b e f a r l e s s e f f e c t i v e
o r c o m p l e t e l y
i n e f f e c t i v e
f o r
a s s i s t i n g
u n i f o r m p e n e t r a t i o n o f
t h e c h i t o s a n
p a r t i
c l e s
b y t h e
a q u e o u s c a u s t i c . F o r e x a m p l e
m e t h a n o l ,
e t h a n o l ,
a c e t o n e , d i m e t h y l
s u l f o x i d e ,
a n d d i m e t h y l
f o r m a m i d e
a r e
n o t
a p p r o p r i a t e l i q u i d s f o r
t h i s
p u r p o s e ,
some o f
th em
p e r h a p s b e c a u s e t h e y
a r e
t o o
e f f e c t i v e a
s o l v e n t f o r sodium h y d r o x i d e
and
t e n d
t o r e t a i n
i t i n
s o l u t i o n r a t h e r
t h a n a l l o w i n g i t
t o p e n e t r a t e
i n t o s o l i d
c h i t o s a n p a r t i c l e s w i t h i t s a c c o m p a n y i n g a q u e o u s
p h a s e .
W h e n t h e
s w e l l i n g
a n d p e n e t r a t i o n o f t h e
c h i t o s a n
h a v e b e e n a c h i e v e d , s o l i d
m o n o c h l o r o a c e t i c a c i d
i s
a d d e d
t o t h e s l u r r y i n a p r o p o r t i o n o f
s u b s t a n t i a l l y
one
mol o f
m o n o c h l o r o a c e t i c
a c i d f o r
e a c h
1 . 8 t o
2 . 2
mols o f
s o d i u m
h y d r o x i d e i n t h e s t e e p i n g m e d i u m . S t i r r i n g i s
c o n t i n u e d w h i l e
t h e s l u r r y i s h e a t e d t o
t e m p e r a t u r e
i n
t h e
r a n g e
4 0 °
C . t o 7 0 °
C .
a n d m a i n t a i n e d a t
t h i s
t e m p e r
a t u r e f o r
a
r e a c t i o n
p e r i o d s u f f i c i e n t
t o
complete r e a c
t i o n between
c h i t o s a n
and sodium m o n o c h l o r o a c e t a t e
w h i c h r a p i d l y f o r m s f r o m t h e s o d i u m
h y d r o x i d e
a n d
m o n o c h l o r o a c e t i c
a c i d . The
r e a c t i o n w i t h c h i t o s a n
i s
much
s l o w e r
a n d g e ne r a l l y r e q u i r e s f r o m
two t o
t w e l v e
h o u r s
f o r c o m p l e t i o n , d e p e n d i n g c o n s i d e r a b l y o n
t h e
r e a c t i o n
t e m p e r a t u r e ,
t h e
h i g h e r t e m p e r a t u r e s
p r o d u c
i n g
f a s t e r
r e a c t i o n s
a s
would b e e x p e c t e d .
G e n e r a l l y
t h e
r e a c t i o n
i s
c o m p l e t e d i n t h r e e
h o u r s
a t 6 0 °
C . and
i n two
h o u r s a t 7 0 ° C .
F o l l o w i n g c o m p l e t i o n o f
t h e
r e a c t i o n ,
t h e e x c e s s
s o d i u m h y d r o x i d e m u s t b e n e u t r a l i z e d
a n d
t h e e x t r a n e
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
5/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
7
o u s
s a l t s washed f r o m
t h e
p r o d u c t .
T h i s i s c o n v e n i e n t l y
a c h i e v e d b y a d d i n g g l a c i a l a c e t i c a c i d i n a m o u n t
s u f f i
c i e n t t o b r i n g t he pH o f t h e s l u r r y t o
s u b s t a n t i a l l y
7 . 0 ; t o
f a c i l i t a t e
pH m e a s u r e m e n t , e g . w i t h a pH m e t e r ,
i t
may
b e n e c e s s a r y t o add a s m a l l p o r t i o n o f water t o t h e
s l u r r y .
The
m o n o c h l o r o a c e t i c
a c i d - c h i t o s a n r e a c t i o n
produces
byproduct
sodium c h l o r i d e and t h e e x c e s s
c a u s t i c n e u t r a l i z a t i o n
produces sodium
a c e t a t e .
As
t h e s e s a l t s , p a r t i c u l a r l y
t h e
s o d i u m c h l o r i d e , h a v e o n l y
s l i g h t s o l u b i l i t y
i n s l u r r y l i q u i d ,
some w a t e r
m u s t
b e
u s e d t o d i s s o l v e a n d wash them o u t . A i x t u r e o f 7 0 : 3 0
m e t h a n o l z w a t e r
i s a n e f f e c t i v e
a n d
e f ? c i e n t wash l i q u i d ;
t h e
p r o p o r t i o n o f
w a t e r m u s t b e
low
enough
t o p r e c l u d e
s w e l l i n g
o r d i s s o l v i n g t h e
c h i t o s a n
d e r i v a t i v e p r o d u c t .
A ? n a l w a s h i n g w i t h a n h y d r o u s
m e t h a n o l f a c i l i t a t e s
s u b s e q u e n t
d r y i n g
o f t h e
p r o d u c t . O t h e r l i q u i d s w h i c h
a r e
s u i t a b l e
f o r w a s h i n g e x t r a n e o u s s a l t s f r o m t h e p r o d
u c t
i n c l u d e ,
f o r
e x a m p l e ,
i s o p r o p a n o l ,
e t h a n o l ,
a n d
a c e
t o n e ; however on a c o s t b a s i s t h e y g e n e r a l l y a r e
l e s s
e f f e c t i v e
t h a n t h e p r e v i o u s l y
m e n t i o n e d
m e t h a n o l ,
p a r
t i c u l a r l y
i f
e x c i s e
t a x
r e g u l a t i o n s m u s t b e t a k e n i n t o
account.
I t
h a s
b e e n n o t e d a b o v e t h a t
NMR
s p e c t r o s c o p y
c o m b i n e d w i t h c a r b o n - 1 3 l a b e l l i n g
h a s p e r m i t t e d
p o s i
t i v e
i d e n t i ? c a t i o n o f
t h e
p r o d u c t o f t h i s
i n v e n t i o n a s
a
c a r b o x y m e t h y l s u b s t i t u t e d c h i t o s a n ,
h a v i n g
t h e s u b s t i t
u e n t s
on both t h e N-
and
O - s i t e s
and
n o t
e x c l u s i v e l y on
one o r t h e o t h e r s i t e . Another a n a l y t i c a l m e t h o d , which
h a s
d e v e l o p e d
more r e c e n t l y t h a n p u b l i c a t i o n o f
much
o f t h e
a v a i l a b l e l i t e r a t u r e on c h i t o s a n , a r i s e s from
t h e
p r o c e d u r e s o f
a n a l y t i c a l p y r o l y s i s . I n
t h e s e
p r o c e d u r e s ,
w h i c h p r o v i d e v a l u a b l e
i n f o r m a t i o n
i n
p o l y m e r
a n a l y s i s
f o r b o t h
s y n t h e t i c
a n d
n a t u r a l
m a c r o m o l e c u l a r s t r u c
t u r e s ,
a p y r o l y z e r ,
p r o v i d i n g h i gh l y r e p r o d u c i b l e
t h e r
m a l t r e a t m e n t f o r s a m p l e s
o f
d i v e r s e t y p e s , e . p o w d e r s ,
? l m s , p e l l e t s , ? b r e s , a n d
b u l k
m a t e r i a l s ,
s e r v e s
t o d e
compose a s a m p l e i n t o many
l o w e r m o l e c u l a r
w e i g h t
f r a g m e n t s .
The f r a g m e n t s
a r e c o l l e c t e d
t h e n s e p a r a t e d
i n t o f r a c t i o n s
b y
v a r i o u s c h r o m a t o g r a p h i c
m e t h o d s .
: T h e
p y r o l y z a t e p r o d u c e d b y a p o l y m e r o f a n y o n e
c o m p o s i t i o n ,
o n
p y r o l y s i s f o r
s u c h
a n a l y s e s , w i l l p r o
v i d e
a s p e c t r u m o f
f r a g m e n t s s e p a r a b l e b y c h r o m a t o g
raphy
t o produce
a
c h a r a c t e r i s t i c r e a d - o u t
o r
pyrogram
which
c a n
b e
u s e d t o i d e n t i f y
o r p o s i t i v e l y d i s t i n g u i s h
t h e c o m p o s i t i o n .
Thus
t h e pyrogram
o f
c h i t o s a n w i l l
p o s i t i v e l y
d i s t i n g u i s h
t h e m a t e r i a l f r o m c h i t i n a n d
i t s
p y r o g r a m ,
a n d
i n f a c t
t h e
d e r i v a t i v e s N - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n ,
O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n ,
a n d N , O - c a r b o x
y m e t h y l
c h i t o s a n
a r e d i s t i n g u i s h a b l e b y t h e i r p y r o
g r a m s .
L a b o r a t o r y
s a m p l e s
o f c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
p r o d u c t s p r e p a r e d b y t h e
m e t h o d s
d e s c r i b e d b y Muz
z a r e l l i
e t
a l
a n d by Nud’ga
e t
a l
h a v e b e e n compared
w i t h s a m p l e s o f
t h e N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
o f
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n u s i n g
t h i s
a n a l y t i c a l
p y r o l y s i s t e c h
n i q u e , a n d t h e d i s t i n c t i v e n e s s o f t h e p y r o g r a m s o f e a c h
o f
t h e t h r e e m a t e r i a l s h a v e
b e e n
c o n ? r m e d .
R e f e r e n c e h a s
been m a d e e a r l i e r h e r e i n t o t h e s e l e c
t i v e p e r m e a b i l i t y
o f ? l m s o f N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o
s a n . S e l e c t i v e
p e r m e a b i l i t y f o r g a s e s
i s
a d e s i r a b l e
prop
e r t y f o r t h i n ? l m s when t i s d e s i r e d t o s e p a r a t e t h e r e b y
tw o g a s e s which a r e i n a d m i x t u r e , o r
a t l e a s t
t o change
t h e
r e l a t i v e
c o n c e n t r a t i o n s
of
two
g a s e s
from
a
g a s
m i x t u r e .
Gas
p e r m e a t i o n
s t u d i e s
h a v e
shown
t h a t ? l m s
o f N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n a r e , f o r e x a m p l e , s u b
s t a n t i a l l y
e i g h t t i m e s more
p e r m e a b l e
t o a c e t y l e n e t h a n
t h e y a r e t o e t h y l e n e w h e n t h e s e g a s e s a r e i n a d m i x t u r e .
Thus
t h i s s e l e c t i v e p e r m e a b i l i t y
o f
t h e ?lm f o r
t h e s e
two g a s e s
w i l l
p e r m i t t h e c o n c e n t r a t i o n o f a c e t y l e n e
2 0
2 5
3 5
5 0
6 0
6 5
8
r e l a t i v e t o
t h e e t h y l e n e i n a m i x t u r e o f t h e g a s e s
which
i s
a l l o w e d t o
p e r m e a t e
t h r o u g h s u c h a
? l m .
F u r t h e r
more t h e p e r m e a b i l i t y o f t h e ?lms
f o r
c a r b o n
d i o x i d e
a n d
o x y g e n
i s l o w , w h e r e a s t h e p e r m e a b i l i t y f o r e t h y l
e n e
i s s i g n i ? c a n t ; w i t h s u c h a c o m b i n a t i o n o f
s e l e c t i v e
p e r m e a b i l i t i e s ,
? l m s
o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
have i d e a l
p r o p e r t i e s
f o r a
p r e s e r v a t i v e
c o a t i n g on
f r e s h
f r u i t s and v e g e t a b l e s .
The
r e l a t i v e
p e r m e a b i l i t y
o f
? l m s o f N , O - c a r b o x
y m e t h y l c h i t o s a n t o v a r i o u s
g a s e s a n d m i x t ur e s o f
g a s e s
s e r v e s a s an a d d i t i o n a l c h a r a c t e r i s t i c by which t h e ma
t e r i a l c a n b e i d e n t i ? e d a n d / o r
d i s t i n g u i s h e d f r o m o t h e r
s i m i l a r m a t e r i a l s . I t h a s b e e n n o t e d above
t h a t N R
s p e c t r a a n d a n a l y t i c a l p y r o l y s i s p r o g r a m s a l s o c a n b e
u s e d
t o i d e n t i f y o r d i s t i n g u i s h t h e p r o d u c t o f
h i s i n v e n
t i o n .
None
o f t h e
p u b l i s h e d
l i t e r a t u r e
h a s
d i s c l o s e d t h e
u s e
o f
g a s p e r m e a b i l i t y , NMR
s p e c t r a , o r a n a l y t i c a l
p y r o l y s i s t o i d e n t i f y
o r
d i s t i n g u i s h t h e c o m p o s i t i o n o f
c a r b o x y m e t h y l d e r i v a t i v e s o r c h i t o s a n . The c h a r a c t e r
i s t i c s
o r
p r o p e r t i e s
o f
o l u b i l i t y ,
v i s c o s i t y ,
a n d d e g r e e
o f
s u b s t i t u t i o n have be e n u s e d
i n
t h e
a r t ,
b u t
t h e s e a r e
much
l e s s
i n t r i n s i c o r
s u b j e c t t o
l e s s
p r e c i s e
d e t e r m i n a
t i o n
t h a n t h e methods h e r e i n r e f e r r e d t o
f o r
i d e n t i ? c a
t i o n
a n d d i s t i n c t i o n o f
t h e
p r o d u c t o f
t h e
p r e s e n t i n v e n
t i o n .
D e s p i t e
t h e l o w e r p r e c i s i o n
o f
t h e i r
m e a s u r e m e n t o r
t h e
l o w e r
d i s t i n c t i v e n e s s o f
t h e s e
p r o p e r t i e s , s o l u b i l i t y ,
v i s c o s i t y , a n d d e g r e e o f s u b s t i t u t i o n a r e
n e v e r t h e l e s s
o f
some
s i g n i ? c a n c e f o r N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n .
C h i t o s a n i t s e l f i s i n s o l u b l e i n p u r e w a t e r , b u t u n l i k e
c h i t i n )
i t i s s o l u b l e i n w e a k l y a c i d i c
a q u e o u s
m e d i a , i n
which
t
i s p r e s e n t a s
t h e
a c i d
s a l t .
The c a r b o x y m e t h y l
d e r i v a t i v e s o f
c h i t o s a n , w h e t h e r
t h e y
b e
t h e e x c l u s i v e l y
N - s u b s t i t u t e d
o r
t h e e x c l u s i v e l y O - s u b s t i t u t e d
d e r i v a
t i v e , o r
t h e
N-
and O - s u b s t i t u t e d d e r i v a t i v e
o f t h e p r e s
e n t
i n v e n t i o n ,
a r e
u n i q u e
w a t e r
s o l u b l e
gums i n t h a t
t h e y c o n t a i n
a n
amino
g r o u p ,
e i t h e r a s t h e p r i m a r y
a m i n e (-NHg) o r a s t h e s e c o n d a r y a m i n e (—-NHCH
ZCOOH). The d e g r e e
o f w a t e r
s o l u b i l i t y o f t h e s e d e r i v
a t i v e s , p a r t i c u l a r l y t h e N - a n d O - s u b s t i t u t e d p r o d u c t
o f
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , i s v a r i a b l e ,
a s
i t a p p e a r s t o v a r y
w i t h
t h e
m o l e c u l a r
w e i g h t
o f
t h e
m a t e r i a l
a s
w e l l a s
w i t h t h e d e g r e e o f
s u b s t i t u t i o n .
For some o f t h e m a t e r i
a l s ,
t h e d e g r e e o f w a t e r s o l u b i l i t y
i s
l i m i t e d t o
a
p o i n t
where
t h e
m a t e r i a l p a r t l y f o r m s a n o b s e r v a b l e s e p a r a t e
g e l p h a s e a s w e l l a s p a r t l y
d i s s o l v i n g
i n
w a t e r .
Such
v a r i a t i o n s i n w a t e r
s o l u i l i t y a l s o
g i v e
r i s e t o v a r i a t i o n s
i n
t h e
v i s c o s i t y
o f
s o l u t i o n s
o f
t h e
m a t e r i a l s .
The
v i s c o s
i t y
o f a one p e r c e n t a q u e o u s s o l u t i o n o f a
c o m p l e t e l y
w a t e r
s o l u b l e N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n
o f t h e p r e s
e n t
i n v e n t i o n may r a n g e
f o r
example
from 1 5
t o 1 0 0 0
c e n t i p o i s e s . F o r s u c h r e a s o n s , s o l u b i l i t y ,
v i s c o s i t y ,
a n d
d e g r e e o f s u b s t i t u t i o n
a r e c l e a r l y
u n s ui t a b l e c h a r a c t e r i s
t i c s
t o i d e n t i f y
o r
d i s t i n g u i s h t h e m a t e r i a l s . The
forma
t i o n
o f a s e p a r a t e
g e l p h a s e
by
p a r t o f
a
s a m p l e o f N,O
c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n d i s p e r s e d
i n w a t e r
t o
g i v e a o n e
p e r c e n t
s o l u t i o n may b e i n d i c a t i v e o f v a r i a b i l i t y i n t h e
s u b s t i t u t i o n
t h r o u g h o u t
t h e s a m p l e , a n d / o r o f l a r g e
v a r i a t i o n s
i n m o l e c u l a r
w e i g h t t h e r e t h r o u g h . The p r e s
ence
o f
g e l
wit h an aqueous
s o l u t i o n c r e a t e s
an abnor
m a l l y h i g h
v i s c o s i t y
i n
t h e
s o l u t i o n
a n d r e n d e r s
d i f ? c u l t
o r
i m p o s s i b l e t h e
f o r m a t i o n o f a c o m p l e t e l y
smooth
? l m
on
a
s u b s t r a t e , e g . on an a p p l e ; hence t
i s
most d e s i r a b l e
t o h a v e g e l - f r e e
s o l u t i o n s f o r
s u c h
c o m m e r c i a l
a p p l i c a
t i o n s , b u t f o r
o t h e r
c o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s ,
e g .
c o a t i n g
h a t c h e r y e g g s , ?lm s m o o t h n e s s i s o f e s s s i g n i f i c a n c e . I n
most
c a s e s
t h e g e l c a n b e d i s s o l v e d
by
h e a t i n g t h e s o l u
t i o n ;
s o l u t i o n s
t h a t h a v e
b e e n
h e a t e d
t o
d i s s o l v e
g e l
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
6/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
h a v e
l o w e r v i s c o s i t i e s
t h a n
i n i t i a l l y
b u t h i g h e r
v i s c o s i
t i e s t h a n t h o s e
s o l u t i o n s
which a r e
i n i t i a l l y
g e l - f r e e .
I n a s m u c h a s
t h e d e g r e e o f
s u b s t i t u t i o n
o f
c a r b o x y
m e t h y l g r o u p s o n
c h i t o s a n
i s
o f
some s i g n i ? c a n c e
w i t h
r e g a r d
t o t h e w a t e r s o l u b i l i t y
o f
t h e m a t e r i a l ,
a d d i t i o n a l
comment
on
t h i s
f a c t o r becomes a p p r o p r i a t e . A e g r e e
o f
s u b s t i t u t i o n
o f
1 . 0
f o r
c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
i n d i
c a t e s
t h a t ,
on a v e r a g e ,
t h e r e i s
one c a r b o x y m e t h y l
group
s u b s t i t u t i o n
p e r g l u c o s a m i n e
m o n o m e r
u n i t i n
t h e
c h i t o s a n ,
b u t i t g i v e s no
i n d i c a t i o n o f
t h e
p o s i t i o n
o f t h e
s u b s t i t u t i o n .
As t h e
d e g r e e o f s u b s t i t u t i o n D . S . ) i s a n
a v e r a g e f o r
t h e
e n t i r e c h i t o s a n
p o l y m e r
m o l e c u l e , a
v a l u e
l e s s
t h a n on e i n d i c a t e s t h a t n o t a l l
t h e
m o n o m e r
u n i t s
a r e
s u b s t i t u t e d .
T h e o r e t i c a l l y
each m o n o m e r u n i t
c o u l d have s u b s t i t u t i o n on t h e N - p o s i t i o n and on
e a c h
o f
t h e
two h y d r o x y l
O - p o s i t i o n s i n c h i t o s a n
t h e 3 O
a n d 6 O - p o s i t i o n s ) ,
b u t ,
p r i m a r i l y
b e c a u s e o f
s t e r i c f a c
t o r s ,
o n l y
t h e
- - — N H ;
g r o u p a n d t h e h y d r o x y l
i n
t h e
6
p o s i t i o n
c a n b e
e x p e c t e d t o e n t e r
s i g n i ? c a n t l y i n t o
t h e
s u b s t i t u t i o n r e a c t i o n . Thus
a m a x i m u m
D . S . n o t
g r e a t e r
t h a n 2
i s
l i k e l y
t o
o c c u r .
A
. S .
between
1
and
2
would
i n d i c a t e t h a t a t l e a s t some s u b s t i t u t i o n may be p r e s e n t
on b o t h t h e 6
O - p o s i t i o n
and e i t h e r t h e
N - p o s i t i o n
o r
p o s s i b l y t h e 3 O - p o s i t i o n . A D8. o f 1 . 0 o r l e s s c o u l d
i n d i c a t e t h a t a l l t h e s u b s t i t u t i o n
i s
p r e s e n t a t o n l y t h e 6
O - p o s i t i o n o r o n l y
t h e
N - p o s i t i o n , f o r e x a m p l e t h e p r e
v i o u s l y
m e n t i o n e d p r o d u c t s O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
a n d N - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n d e s c r i b e d by L . A .
‘ N u d ’ g a
e t a l
a n d by R .
A . A .
M u z z a r e l l i
e t
a l r e s p e c
t i v e l y . N u d ’ g a
e t a l
s p e c i ? c a l l y s t a t e d t h a t ,
w i t h t h e i r
p r o d u c t O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n , w a t e r s o l u b i l i t y
was
n o t a c h i e v e d u n l e s s t h e d e g r e e o f s u b s t i t u t i o n
was
1 . 0 , i . e . i t
was n o t a c h i e v e d a t
any
D . S . below
1 . 0 .
I n
c o n t r a s t , t h e N - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n s o b t a i n e d a s
w h i t e ,
f r e e - ? o w i n g
p o w d e r s by
M u z z a r e l l i
e t
a 1
were
r e p o r t e d
t o
b e
s o l u b l e
i n
w a t e r ,
a t a l l
pH v a l u e s ,
r e g a r d
l e s s o f
t h e i r
d e g r e e
o f s u b s t i t u t i o n
w h i c h r a n g e d f r o m
0 . 2 5 t o 1 . 0 .
The
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n s
o f
t h e
p r e s e n t
i n v e n t i o n , when
made
f r o m
c h i t o s a n
b y t h e
method a l r e a d y d e s c r i b e d h e r e i n , h a v e a D8. t h a t may
r a n g e b e t w e e n s u b s t a n t i a l l y 0 . 4 a n d s u b s t a n t i a l l y 0 . 8 , i . e .
s i g n i ? c a n t l y l e s s t h a n 1 . 0 . I t i s
e n t i r e l y u n e x p e c t e d
t h a t ,
w h e n r e a c t i o n c o n d i t i o n s a r e adapted t o
achieve
c a r
b o x y m e t h y l s u b s t i t u t i o n
s i m u l t a n e o u s l y a t b o t h t h e N
a n d
O - p o s i t i o n s ,
a
d e g r e e
o f
s u b s t i t u t i o n
s o s i g ni ? c a n t l y
lower t h a n 1 . 0 would
occur
and a t
t h e
same t i m e
pro
v i d e a w a t e r s o l u b l e p r o d u c t w i t h p r o p e r t i e s s o d i f f e r
e n t from t h e r e a c t a n t
c h i t o s a n
and a l s o from
t h e
p r i o r
a r t
p r o d u c t s which
a r e
s u b s t i t u t e d
e x c l u s i v e l y
i n
t h e
N - p o s i t i o n
o r
e x c l u s i v e l y
i n
t h e O - p o s i t i o n .
There
h a s
b e e n d e s c r i b e d e a r l i e r
h e r e i n
a t y p i c a l
l a b o r a t o r y
o p e r a t i o n
f o r
t h e
p r e p a r a t i o n
o f
t h e
p r o d u c t
o f t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n .
The
same
p r o c e d u r e h a s b e e n
o p e r a t e d on
a much l a r g e r s c a l e t o produce t h e same
p r o d u c t
i n
a p i l o t p l a n t
o p e r a t i o n
s c a l e d
u p f r o m t h e
p r e c e d i n g Example
by
a f a c t o r o f a b o u t 2 0 0 0 . R e p r o
d u c i b i l i t y o f t h e
d e g r e e o f
s u b s t i t u t i o n a n d t h e
v i s c o s i t y
o f 1 a q u e o u s s o l u t i o n s o f
t h e
p r o d u c t was
e x c e l l e n t
a n d t h e y c o r r e s p o n d e d s a t i s f a c t o r i l y w i t h p r o p e r t i e s o f
t h e l a b o r a t o r y
p r o d u c e d s a m p l e s .
A
m a j o r
d i s a d v a n t a g e
o f t h e p r e v i o u s l y d e s c r i b e d
m e t h o d
f o r
p r e p a r a t i o n
o f N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
l i e s i n t h e c o s t o f t h e i n i t i a l c h i t o s a n r e a c t a n t . The p r e p
a r a t i o n
o f
t h i s m a t e r i a l from c h i t i n
h a s
b e e n
c a r r i e d o u t
i n t h e a r t by
numerous d i f f e r e n t
m e t h o d s , a l l
i n v o l v i n g
d e a c e t y l a t i o n w i t h c a u s t i c , u s u a l l y s o d i u m
o r
p o t a s s i u m
h y d r o x i d e
i n
a l i q u i d
o r
m o l t e n
medium.
I t h a s
b e e n
f o u n d p o s s i b l e t o
c a r r y
o u t
t h e
d e a c e t y l a t i o n
o f
c h i t i n
t o
1 5
20
2 5
30
3 5
40
45
50
55
60
6 5
1 0
c h i t o s a n
a s
a p r e l i m i n a r y s t e p , i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e
s t e p s p r e v i o u s l y d e s c r i b e d h e r e i n f o r c a r b o x y m e t h y l a
t i o n o f t h e
c h i t o s a n ,
w i t h o u t h a v i n g t o s e p a r a t e t h e
c h i t o s a n f r o m t h e d e a c e t y l a t i o n r e a c t i o n m i x t u r e .
The
i n v e n t i o n t h us f u r t h e r
c o n s i s t s ,
i n t h e
method
f o r p r e p a
r a t i o n o f N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n
p r e v i o u s l y d e
s c r i b e d
h e r e i n ,
o f
p r e l i m i n a r i l y
p r e p a r i n g
c h i t o s a n
d i s
p e r s e d i n a l i q u i d medium o f t h e g r o u p c o n s i s t i n g o f
i s o p r o p y l a l c o h o l , n - b u t a n o l , i s o b u t a n o l ,
m e t h y l
e t h y l
k e t o n e ,
t o l u e n e ,
a n d
e t h a n o l - t o l u e n e m i x t u r e s c o n t a i n
i n g
a t
l e a s t
7 2
m o l p e r c e n t t o l u e n e b y a ) d i s p e r s i n g
g r a n u l a r s i z e d
c h i t i n
i n s a i d l i q u i d m edium t o f o r m
a
s l u r r y o f c h i t i n , b ) s l o w l y a d d i n g a s t r o n g a q u e o u s
sodium
h y d r o x i d e s o l u t i o n t o t h e s t i r r e d s l u r r y o v e r a
p e r i o d o f
1 0
t o 3 0 m i n u t e s and
i n
a p r o p o r t i o n t o
p r o
v i d e s u b s t a n t i a l l y ? v e t o
n i n e
m o l s s o d i u m h y d r o x i d e
p e r m o l N - a c e t y l
g l u c o s a m i n e u n i t s
i n t h e c h i t i n , c )
h e a t i n g t h e s t i r r e d s l u r r y
t o
a
t e m p e r a t u r e
i n t h e r a n g e
o f 7 5 ° C . t o 1 0 0 ° C . and
m a i n t a i n i n g
i t
i n
t h i s r a n g e f o r
a
p e r i o d o f 2 . 5 t o 3 . 5
h o u r s ,
d )
a l l o w i n g t h e
s l u r r y t o
c o o l
t o
a m b i e n t
room
t e m p e r a t u r e
and
t o s t e e p
u n t i l
t h e
c h i t i n
h a s b e e n s u b s t a n t i a l l y d e a c e t y l a t e d
t o
c h i t o s a n
a n d
t h e c h i t o s a n h a s s t e e p e d i n t h e c a u s t i c medium f o r
a
b r i e f
p e r i o d ,
t y p i c a l l y 0 . 5
t o 1 . 0
h o u r s .
The
f o l l o w i n g
e x a m p l e
i s g i v e n
t o
i l l u s t r a t e a s u i t a b l e
p r o c e d u r e f o r t h e p r e p a r a t i o n o f
N , O - c a r b o x y m e t h y l
c h i t o s a n , s t a r t i n g
f r o m
c h i t i n , i n a c c o r d a n c e w i t h t h e
c o m b i n a t i o n
o f
s t a g es d i s c l o s e d a b o v e .
EXAMPLE
To 2 0 . 0
g h i t i n p r o d u c t ,
s u p p l i e d
by
t h e N e w
B r u n s
w i c k R e s e a r c h a n d P r o d u c t i v i t y C o u n c i l a n d
d e r i v e d
f r o m c r a b s h e l l w a s t e s , 2 0 0
mL
f i s o p r o p y l a l c o h o l
was
a d d e d and
t h e r e s u l t i n g
s l u r r y s t i r r e d i n
a
l i t e r ? a s k a t
2 5 °
C .
To
t h e
s t i r r e d
s l u r r y
o v e r
a p e r i o d
o f 2 0
m i n u t e s ,
5 6 . 0 mL
f
l6N a q u e o u s sodium h y d r o x i d e was a d d e d .
H e a t
was
a p p l i e d t o
b r i n g
t e m p e r a t u r e o f t h e r e a c t i o n
m i x t u r e
t o
8 0 ° C . a n d
m a i n t a i n
i t ,
u n d e r
s t i r r i n g ,
f o r
t h r e e
h o u r s .
The s l u r r y was t h e n a l l o w e d t o
s t e e p
f o r a
m inimum
o f
0 . 5
h o u r s .
F o l l o w i n g t h e s t e e p i n g , t h e
r e
s u l t i n g
s l u r r y o f
c h i t o s a n was r e a c t e d i n a c c o r d a n c e
w i t h t h e p r o c e d u r e
d e s c r i b e d
i n
E x a m p l e 1 ; 4 0 . 4 g s o l i d
m o n o c h l o r o a c e t i c
a c i d
was
added
t o t h e s t i r r e d s l u r r y ,
i n
?ve e q u a l
p o r t i o n s a t
?ve
minute
i n t e r v a l s
over a
p e r i o d o f 2 0 m i n u t e s . H e a t
was
t h e n a p p l i e d t o
b r i n g
t h e
r e a c t i o n
m i x t u r e
t o 6 0 ° C . which
was m a i n t a i n e d w i t h
s t i r r i n g
f o r t h r e e
h o u r s .
U s i n g
a pH m e t e r
t o d e t e r m i n e
a c i d i t y , t h e
pH o f
t h e
s l u r r y
was a d j u s t e d
t o 7 . 0 b y
g r a d u a l
a d d i t i o n
o f
g l a c i a l
a c e t i c
a c i d .
The
r e a c t i o n
m i x t u r e was t h e n ? l t e r e d a n d t h e s o l i d p r o d u c t washed
t w i c e
w i t h 5 0 0
mL f a 70 v/v methanol/water mix
t u r e ;
t h e
s o l i d p r o d u c t
was a g a i n
r e c o v e r e d
by
? l t e r i n g
a n d
washed w i t h 5 0 0 mL a n h y d r o u s
m e t h a n o l .
The
washed p r o d u c t
was a g a i n ? l t e r e d a n d d r i e d o v e r n i g h t
a t
6 0 ° C . i n an o v e n . The
y i e l d
o f N,O-carboxymethyl
c h i t o s a n p r o d u c t was
2 7 . 0 g .
I t s p r o p e r t i e s
were
s i m i l a r
t o
t h o s e
o f t h e p r o d u c t o f Example 1 e x c e p t
t h a t
t h e
m o l e c u l a r w e i g h t
a n d s o l u t i o n
v i s c o s i t i e s
were c o n s i d
e r a b l y
l o w e r
d u e t o t h e
low m o l e c u l a r
w e i g h t
o f
t h e
c h i t i n s t a r t i n g
m a t e r i a l .
I t w i l l b e n o t e d
t h a t
i n
Example
, i n
a n
i n i t i a l s t a g e ,
c h i t i n i s d e a c e t y l a t e d t o c h i t o s a n w i t h c a u s t i c
i n a n
a p p r o p r i a t e
l i q u i d
m e d i u m ,
p r o v i d i n g
c h i t o s a n
w h o s e
p a r t i c l e s h a v e
a l r e a d y b e e n p e n e t r a t e d
b y s o d i u m h y
d r o x i d e ;
t h e
c h i t o s a n ,
t h u s
p e n e t r a t e d a n d
s w o l l e n
b y
c a u s t i c , i s t h e r e b y
a v a i l a b l e f o r r e a c t i o n
w i t h
m o n o
c h l o r o a c e t i c a c i d
w i t h o u t
? r s t h a v i n g t o b e
s e p a r a t e d
o r
r e c o v e r e d f r o m
t h e
l i q u i d
d e a c e t y l a t i o n m e d i u m . T h i s
-
8/18/2019 US4619995 - Edible Couting Chitosan
7/7
4 , 6 1 9 , 9 9 5
1 1
c o n s i d e r a b l y s i m p l i ? e s t h e p r o c e s s i n g o f c h i t i n
t o N,O
c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n . O t h e r f a c t o r s c o n t r i b u t i n g t o
t h e s i m p l i ? c a t i o n
o f
t h e
p r o c e s s i n g
a s a f o r e s a i d i n c l u d e
t h e l o w p r o p o r t i o n o f c a u s t i c s o d i u m h y d r o x i d e )
r e
q u i r e d , p e r a c e t y l g r o u p i n t h e
c h i t i n ,
f o r d e a c e t y l a t i o n ;
w h i l e
mol
p r o p o r t i o n s
no
g r e a t e r t h a n
9 : 1
a r e
a d e q u a t e
f o r t h e
method
d i s c l o s e d h e r e i n ,
p r i o r a r t p r o c e s s e s
f o r
d e a c e t y l a t i n g c h i t i n w i t h c a u s t i c h a v e
t y p i c a l l y
u s e d
mol
p r o p o r t i o n s
o f
1 8 : 1 ,
2 4 : 1 , a n d e v e n 1 4 0 : 1 . Another
f a c t o r
i s
t h e l o w e r d e a c e t y l a t i o n r e a c t i o n
t e m p e r a t u r e ;
f o r t h e method
d i s c l o s e d
h e r e i n , a
t e m p e r a t u r e
o f 7 5 °
C .
t o
1 0 0 ° C .
i s
a d e q u a t e ,
w h e r e a s p r i o r
a r t m e t h o d s
h a v e
g e n e r a l l y
r e q u i r e d
h i g h e r t e m p e r a t u r e s , r a n g i n g
f o r
e x a m p l e
from
1 1 5 ° C . t o 1 8 0 ° C .
The
l o w e r t e m p e r a t u r e
i s
p a r t i c u l a r l y
a d v a n t a g e o u s i n
t h a t i t a l s o r e d u c e s
t h e
r a t e
o f o x i d a t i v e d e g r a d a t i o n
t h a t
o c c u r s a t e l e v a t e d
t e m p e r a t u r e s i n a l k a l i n e
m e d i a
d u r i n g d e a c e t y l a t i o n ,
e s p e c i a l l y i f t h e
r e a c t i o n
i s n o t
b l a n k e t e d w i t h n i t r o g e n
o r
o t h e r
i n e r t g a s t o r e d u c e
s u c h
d e g r a d a t i o n . I t i s
known i n t h e a r t t h a t l a c k o f a n i t r o g e n b l a n k e t , d u r i n g
a d e a c e t y l a t i o n o f c h i t i n t o c h i t o s a n , r e d u c e s t h e molec
u l a r w e i g h t
o f
t h e c h i t o s a n p r o d u c t .
T h r o u g h o u t t h i s d e s c r i p t i o n
r e f e r e n c e
h a s b e e n made
t o u s e o f 1 q u e o u s s o l u t i o n s o f N,O-carboxymethyl
c h i t o s a n f o r v a r i o u s p u r p o s e s . Such s o l u t i o n s g e n e r a l l y
have
a
c o n v e n i e n t
v i s c o s i t y ,
b u t
s o l u t i o n s
o f h i g h e r o r
l o w e r c o n c e n t r a t i o n c a n
e q u a l l y w e l l
b e
u s e d
where
t h e
r e s u l t i n g
s o l u t i o n
v i s c o s i t i e s a r e
a p p r o p r i a t e
and/
r
c o n v e n i e n t . Numerous o t h e r m o d i ? c a t i o n s o b v i o u s t o
t h o s e
s k i l l e d i n t h e a r t
c a n
b e made n t h e
s p e c i ? c
e x p e
d i e n t s d e s c r i b e d h e r e i n
w i t h o u t d e p a r t i n g
f r o m t h e
s c o p e o f
t h e
i n v e n t i o n which s
d e ? n e d
i n
t h e
f o l l o w i n g
c l a i m s .
Wh a t
i s c l a i m e d i s :
1 . N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n
h a v i n g
a
d e g r e e
o f
s u b s t i t u t i o n
o f
c a r b o x y m e t h y l
g r o u p s p e r g l u c o s a m i n e
m o n o m e r u n i t
i n t h e c h i t o s a n o f
l e s s
t h a n
1 . 0 ,
w i t h
c a r b o x y m e t h y l g r o u p s
b e i n g
s u b s t i t u t e d
o n
h y d r o x y l
oxygen
atoms
o f
t h e g l u c o s a m i n e m o n o m er u n i t s
o f
t h e
c h i t o s a n a n d
c a r b o x y m e t h y l g r o u p s b e i n g
s u b s t i t u t e d
on n i t r o g e n atoms o f t h e
g l u c o s a m i n e
m o n o m e r
u n i t s
o f
t h e c h i t o s a n .
2 . A method f o r
t h e p r e p a r a t i o n
o f N , O - c a r b o x
y m e t h y l c h i t o s a n w h i c h c o m p r i s e s
a )
d i s p e r s i n g
s o l i d c h i t o s a n i n
a
l i q u i d medium o f t h e
g r o u p c o n s i s t i n g
o f i s o p r o p y l
a l c o h o l , n - b u t a n o l ,
i s o b u t a n o l ,
m e t h y l
e t h y l
k e t o n e ,
t o l u e n e ,
a n d
e t h a n o l - t o l u e n e
m i x t u r e s
c o n t a i n i n g
a t l e a s t 7 2 mol
p e r c e n t t o l u e n e ,
t o form
a
s l u r r y ,
b )
s t e e p i n g t h e
c h i t o s a n i n
c a u s t i c
medium b y a d d i n g
s t r o n g
a q u e o u s s o d i u m h y d r o x i d e
s o l u t i o n t o t h e
s l u r r y , i n a p r o p o r t i o n o f t h r e e t o
e i g h t
m o l s s o
dium h y d r o x i d e p e r mol o f g l u c o s a m i n e monom er
u n i t
i n
t h e c h i t o s a n , w i t h s t i r r i n g t o m a i n t a i n t h e
c h i t o s a n
d i s p e r s e d
i n
t h e c a u s t i c
m e d ium
f o r
a
p e r i o d o f
f r o m
0 . 5 t o
1 . 0
h o u r s ,
20
2 5
3 0
3 5
4 5
5 5
6 0
6 5
1 2
c )
t h e r e a f t e r
a d d i n g m o n o c h l o r o a c e t i c a c i d
t o
t h e
c a u s t i c
m e d i u m ,
i n a p r o p o r t i o n o f
s u b s t a n t i a l l y
one m ol
o f t h e a c i d
f o r
e a c h 1 . 8
t o 2 . 2 mols
o f
s o d i u m h y d r o x i d e
i n t h e
c a u s t i c
m e d i u m ,
a n d
h e a t
i n g t h e s l u r r y w i t h c o n t i n u ed
s t i r r i n g
t o a r e a c t i o n
t e m p e r a t u r e o f
f r o m
s u b s t a n t i a l l y
4 0 ° C .
t o
s u b s t a n
t i a l l y
7 0 ° C . ,
d )
m a i n t a i n i n g
t h e s t i r r e d s l u r r y
a t t h e
r e a c t i o n
t e m
p e r a t u r e f o r
a
r e a c t i o n p e r i o d
o f
s u b s t a n t i a l l y
two
t o t w e l v e h o u r s and s u f ? c i e n t t o
c o m p l e t e
r e a c t i o n
between t h e c h i t o s a n a n d sodium monochloroace
t a t e t o
f o r m
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n ,
e ) a d d i n g t o t h e s l u r r y a s m a l l
p o r t i o n o f
w a t e r a n d
a
p o r t i o n
o f
g l a c i a l a c e t i c
a c i d i n
amounts
s u f ? c i e n t
r e s p e c t i v e l y t o e n a b l e m e a s u r e m e n t o f t h e pH o f
t h e s u s p e n d i n g l i q u i d ,
a n d t o
b r i n g
t h e pH
o f
t h e
s l u r r y t o s u b s t a n t i a l l y 7 . 0 , a n d
f ) r e c o v e r i n g
t h e
N , O - c a r b o x y m e t h y l c h i t o s a n p r o d
u c t
f r o m
t h e
s l u r r y
b y s e p a r a t i n g t h e s o l i d
t h e r e o f
and
washing same
with
s o l v e n t s t o
remove
e x t r a n e
o u s s a l t s w i t h o u t
d i s s o l v i n g t h e
p r o d u c t .
3 . A
ethod a s c l a i m e d i n c l a i m
2 , i n c l u d i n g p r e l i m i
n a r y
p r e p a r a t i o n
o f t h e
c h i t o s a n
d i s p e r s e d a n d s t e e p e d
i n s a i d l i q u i d medium b y
a )
d i s p e r s i n g g r a n u l a r s i z e d
c h i t i n i n
t h e
l i q u i d
m e
d i u m ,
t o f o r m a s l u r r y
o f c h i t i n ,
b )
s l o w l y
a d d i n g a
s t r o n g a q u e o u s s o d i u m
h y d r o x i d e
s o l u t i o n t o t h e
s t i r r e d
s l u r r y
over
a p e r i o d o f t e n t o
3 0 m i n u t e s a n d i n
a
p r o p o r t i o n t o p r o v i d e s u b s t a n
t i a l l y ? v e
t o
n i n e m o l s s o d i u m h y d r o x i d e p e r
mol
N - a c e t y l
g l u c o s a m i n e u n i t s i n
t h e c h i t i n ,
c ) h e a t i n g
t h e
s t i r r e d
s l u r r y t o
a
t e m p e r a t u r e i n t h e
r a n g e o f 7 5 ° C . t o 1 0 0 ° C . and
m a i n t a i n i n g
i t i n
t h i s
r a n g e
f o r
a
p e r i o d
o f
2 . 5
t o
3 . 5
h o u r s ,
d )
a l l o w i n g t h e s l u r r y t o
c o o l
t o
a m b i e n t
room
tem
p e r a t u r e a n d t o s t e e p u n t i l t h e c h i t i n h a s b e e n d e
a c e t y l a t e d t o
c h i t o s a n
a n d t h e c h i t o s a n ha s s t e e p e d
i n
t h e c a u s t i c m e d i u m f o