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JP6151182B2 - 高速水和及び高粘度を示すキサンタンガム - Google Patents
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JP6151182B2 - 高速水和及び高粘度を示すキサンタンガム - Google Patents

高速水和及び高粘度を示すキサンタンガム Download PDF

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Description

本特許出願は、2010年8月31日に出願された米国仮出願第61/378,612号、2010年9月1日に出願された米国仮出願第61/378,988号及び2010年9月17日に出願された米国仮出願第61/383,795号の優先権の利益を主張し、これらの各々は参照によりその全体を本明細書に援用する。
本発明は微生物高分子の分野に関する。具体的には、本発明は、強化した水和耐性、より高速の水和及びより高い粘度のような改良特性を有するキサンタンガムに関する。
キサンタンガムは工業用(建築、塗料、紙、繊維、プラント保護、水処理及び石油工業を含む)、食品用、化粧品用、農薬用及び医薬用製剤において増粘剤、乳化剤及び/又は安定剤として用いられるポリアニオン性多糖である。キサンタンガムは細菌であるキサントモナス・キャンペストリスの好気性発酵によって商業的に生産される。
キサンタンガムは一般に乾いた粉末形態で供給される。特定の用途における使用の前に、キサンタンガムを通常、水溶液中で水和する。多くの場合、水和に用いる溶液は、キサンタンガムの完全な水和を阻害するか、あるいは予防するイオン又は他の溶解物質を含有する。それらの場合、低レベルの溶解物質を含有するように水和媒体を調整する必要がある。この調整が不可能である場合、キサンタンガムの効果的な使用は不可能となる場合がある。
キサンタンガムをいずれかの媒体中で水和する場合、時に、溶媒を乾いた粉末に浸透させ、その粉末を膨潤させ、次いでその粉末を水和媒体に拡散させる必要がある。この過程は時間がかかり、完全な水和が得られるまで混合を続けることを要求する。キサンタンガムが完全に水和する前に混合を停止した場合、低粘度を含む幾つかの問題が生じる。未照射キサンタンガムに電離放射線を照射すること又は100〜200ミクロンの平均直径を有する60〜250ミクロンの粒径を有する乾燥粉末を提供することなどの水和を高める僅かな技術が示唆されている。しかしながら、前者はキサンタンガムの生産コストの増加をもたらし、後者は下記で議論する高粘度への要求に対処することができない。
キサンタンガムはしばしば増粘剤又は懸濁助剤として用いられることから、より高粘度の溶液を生成して、同じ使用レベルでより一層の安定性を提供するか又はキサンタンガムの使用レベルを減らして同程度の安定性を保持するキサンタンガムの入手から、多くの用途が恩恵を受けるであろう。従って、溶液中でより高い粘度を示すキサンタンガムを製造する多くの試みが存在している。そのような一つの方法は、発酵ブロスの熱処理(すなわち、低温殺菌)である。この熱処理は配座変化をもたらし、そして、より高い粘度を有する溶液を生成するキサンタンガムを生じる。しかしながら、この方法は、加熱によってもたらされる変化のため、ガム水和の低下も生じ得る。ガムB遺伝子及びガムC遺伝子の過剰発現のようなキサンタン生物の遺伝子操作は低温殺菌なしで高粘度溶液を生じることができる。しかしながら、遺伝的に改変された製品は多くの国で受け入れられない。
上で議論した理由のため、溶解した場合に、広範な媒体で水和することができ、通常のキサンタンガムと比較して短時間で水和することができ、また従来のキサンタンガムより高い粘度を提供することもできる乾燥キサンタンガムを開発することは有益であろう。
本発明は、溶液中で次の特性:(a)標準水道水中で0.25重量パーセント(wt%)
のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで約1600mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(LSRV);(b)合成海水中で水和した場合に1ポンド/バレル(0.286w%)で約18より高い海水粘度(SWV);(c)1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約3分未満の水和速度;及び(d)6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて約10分未満で本質的に完全に水和する能力;の一つ以上を有するキサンタンガム及びその作製方法を提供する。
ある実施形態では、本発明のキサンタンガムが、標準水道水中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで約1800mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(LSRV);0.01M NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで約1750mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(LSRV);及び/又は0.1M NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで約1700mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(LSRV)を含む特性を示す。
ある実施形態では、本発明のキサンタンガムが、合成海水中で水和した場合に1ポンド/バレルで約20より高い海水粘度(SWV)を含む特性を示す。ある実施形態では、本発明のキサンタンガムが、1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約2分未満の水和速度、3wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約4分未満の水和速度、又は3wt%クエン酸溶液中で0.4wt%のキサンタンガム濃度で約6分未満の水和速度を含む特性を示す。ある実施形態では、本発明のキサンタンガムが、6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて約8分未満で本質的に完全に水和する能力か、又は10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで約1時間のプロペラ混合後に完全に水和する能力を含む特性を示す。
本発明のキサンタンガムは、周囲条件下1800rpmで1時間の混合後にブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定して、0.01M又は0.1M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に約1900mPa・sより高い粘度、又は0.01M又は0.1M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に約2100mPa・sより高い粘度を含む特性を更に示す。
本発明は、本発明のキサンタンガムがアジア・キサントモナス・キャンペストリス、すなわち、寄託番号PTA−11272の下でアメリカ培養細胞系統保存機関に寄託されたキサントモナス・キャンペストリス病原型キャンペストリスの発酵から得られることを更に規定する。本発明は、本発明のキサンタンガムが石油の掘削用若しくは補助回収用、水処理用、食品、化粧品、医薬品若しくは農薬処方用、産業用若しくは家庭用の洗剤用、又は紙、建築若しくは繊維用の製剤において、増粘剤、粘度調整剤、乳化剤又は安定剤として使用されることを更に規定する。
本発明のキサンタンガムの低せん断速度粘度(LSRV)測定値を図示する。 本発明のキサンタンガムの海水粘度(SWV)測定値を図示する。 1wt%NaCl溶液中で1wt%濃度での本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの水和速度の比較を図示する。 3wt%NaCl溶液中で1wt%濃度での本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの水和速度の比較を図示する。 ブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定した場合の、0.01M NaCl溶液中で0.25wt%の濃度での本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの粘度の比較を図示する。 ブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定した場合の、0.1M NaCl溶液中で0.25wt%の濃度での本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの粘度の比較を図示する。 水和速度を決定するための装置を図示する。 水和速度を決定するための装置の試料カップ中の撹拌機の配置を図示する。 水和速度の決定で作成されるトルクカーブの例を図示する。 困難な媒体(例えば、1wt%濃度で6wt%NaCl)中での本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの水和の目視比較を図示する。
特に、本願の開示は、様々な溶液中に組み込まれた場合にユニークな特徴を示すキサンタンガムポリマー(「キサンタンガム」)を提供する。キサンタンガムは、微生物であるキサントモナス・キャンペストリスによる好気性発酵中に作られる細胞外産生バイオガムである。一態様において、発酵に用いられて本発明のキサンタンガムを産生する生物は、キサントモナス・キャンペストリス病原型キャンペストリスの株である。発酵は、窒素源、炭素源及び当業者に周知の他の適当な栄養素を要求する。発酵の間、微生物にとって所望の又は最適な増殖条件を提供するように溶解酸素レベル及び温度を維持する。
また本願の開示は、例えば、酵素安定性及びせん断安定性に関する典型的なキサンタンガム特性を維持しながら、溶解した場合にユニークな水和特性及び粘度特性を示すキサンタンガムを提供する。溶液中でのキサンタンガムの性能は、せん断速度、ポリマー濃度及び水和媒体の様々な条件下で多数の異なる技術によって測定することができる。条件に関わらず、本発明のキサンタンガムは、以前から既知のキサンタンガムと同等且つほとんどの場合はそれより高い粘度値を有する溶液を産出し、以前から既知のキサンタンガムと比較して速く水和するか又は完全に水和する能力を有する。従って、以前から既知のキサンタンガムを上回る本発明のキサンタンガムの性能を定量するために、様々な試験条件を下記で定義して特性測定した。
一態様において、キサンタンガムは溶解した場合に(i)標準水道水(下記で定義する)中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで約1600mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(下記で定義する);(ii)合成海水中で水和した場合に1ポンド/バレル(0.286w%)で約18より高い海水粘度(下記で定義する);
(iii)1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約3分未満の水和速度(下記で定義する);及び(iv)6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて約10分未満で本質的に完全に水和する能力;を含む特性を示す。
更なる態様では、本発明で提供するキサンタンガムが溶液中で下記特性:
(i)標準水道水(下記で定義する)中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで約1600mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(下記で定義する);
(ii)合成海水中で水和した場合に1ポンド/バレル(0.286w%)で約18より高い海水粘度(下記で定義する);
(iii)1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約3分未満の水和速度(下記で定義する);
(iv)6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて約10分未満で本質的に完全に水和する能力;
(v)10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで約1時間のプロペラ混合後に完全な水和を得る能力;
(vi)0.01モル濃度(M)NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで約1750mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(下記で定義する);
(vii)0.1モル濃度(M)NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで約1700mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度(下記で定義する);又は
(viii)これらの組み合わせ;
のいずれか一つ又はいずれかの組み合わせを示す。
本態様において、本開示で提供するキサンタンガムは溶解した場合にこれらの特性のいずれか一つ又は二つ以上を無制限に示す。従って、本発明のキサンタンガムは、列挙した特性のいずれか一つ、いずれか二つ、いずれか三つ、いずれか四つ、いずれか五つ、いずれか六つ又は全てを示すことができる。
本明細書中で用いる「完全に水和する」、「本質的に完全に水和する」、「完全な水和」、「100%の水和」等の用語は、ヒトの肉眼で見える粒子がなく(図10で示すように)ように溶液が均質な外観を有し、特定媒体での溶液の粘度が標準水道水中で得られた粘度と実質的に変わらないことを意味する。ここで「実質的に変わらない」という記載を用いて、特定媒体での溶液の粘度が標準水道水で得られた粘度から約25%未満だけ、あるいは約20%未満だけ、あるいは約15%未満だけ、あるいは約10%未満だけ、あるいは約7%未満だけ、あるいは約5%未満だけ異なることを意味する。標準水道水(STW)は、1リットルの脱イオン水に1.0gのNaClと0.15gのCaCl・2HOとを溶解させることによって調製する。
別の態様では、キサンタンガムを標準水道水中で0.25wt%のキサンタンガム濃度に水和した場合、生じた溶液が3rpmで約1800mPa・sより高い低せん断速度粘度を有する。更に別の態様では、標準水道水中で0.25wt%のキサンタンガム濃度に水和した場合、溶液が3rpmで約2000mPa・sより高い低せん断速度粘度を有する。代表的なデータを図1で提示する。更に図1で図示するように、本開示に従って提供されるキサンタンガムは標準水道水中で0.25wt%のキサンタンガム濃度に水和した場合、溶液が3pmで約1600mPa・sより高い、約1650mPa・sより高い、約1750mPa・sより高い、約1800mPa・sより高い、約1850mPa・sより高い、約1900mPa・sより高い、約1950mPa・sより高い、約2000mPa・sより高い、約2050mPa・sより高い、約2100mPa・sより高い、約2150mPa・sより高い、約2200mPa・sより高い、約2250mPa・sより高い、約2300mPa・sより高い、約2350mPa・sより高い、約2400mPa・sより高い、約2450mPa・sより高い、又は約2500mPa・sより高い低せん断速度粘度を有することができる。特に定めのない限り、これらの条件下で、標準水道水中で0.25wt%のキサンタンガム濃度に水和した場合、溶液は3rpmで最高約2700mPa・s、最高約2800mPa・s、又は最高約2900mPa・sの低せん断速度粘度を有することができる。
他の態様では、本発明のキサンタンガムが1ポンド/バレル(0.286w%)で約20より高い海水粘度の特性、更には1ポンド/バレルで約22より高い海水粘度の特性を示す。代表的なデータを図2で提示する。更に図2で図示するように、キサンタンガムは、1ポンド/バレルで約18.0より高い、1ポンド/バレルで約18.5より高い、1ポンド/バレルで約19.0より高い、1ポンド/バレルで約19.5より高い、1ポンド/バレルで約20.0より高い、1ポンド/バレルで約20.5より高い、1ポンド/バレルで約21.0より高い、1ポンド/バレルで約21.5より高い、1ポンド/バレルで約22.0より高い、1ポンド/バレルで約22.5より高い、1ポンド/バレルで約23.0より高い、1ポンド/バレルで約23.5より高い、又は1ポンド/バレルで約24.0より高い海水粘度の特性を示す。特に定めのない限り、これらの条件下で、キサンタンガムは1ポンド/バレルで最高約26.0、1ポンド/バレルで最高約27.0、又は1ポンド/バレルで最高約28.0の海水粘度の特性を示す。
ほとんどの用途において、キサンタンガム粉末はその使用の前に水和を必要とする。大まかに言って、水和は2段階過程と考えることができる。一般に実際の水和段階に先立つ第一段階は、個々の粒子を分離して、ひとまとまりになったり凝集したりしないようにキサンタンガムを所望の媒体中に分散させることを伴う。キサンタンガム粒子がくっつきひとまとまりになる場合、水和は典型的にずっとゆっくりである。一般に、凝集体の分解に続いて、これら分散したキサンタンガム粒子が実際に媒体中で水和されるときに第二段階が起こり、これは媒体中で個々のポリマー分子が乾いた粒子から放出されて自由になり移動することを意味する。業界用語「分散」及び「水和」を用いて、それぞれこれら第一段階及び第二段階を表す。
水和自体は少なくとも2つの態様を有する。水和の一態様は、いかに迅速にキサンタンガム粒子が膨潤し続いてポリマー鎖を自由にするかに関係し、これを本明細書中で水和速度と定義している。迅速且つ完全な水和は、乾燥混合物のような多数の用途にとって重要であり得る。水和の第二態様は、どのような種類の媒体が完全な水和を可能にするかに関係する。幾つかの水和媒体は、乾いた粒子から個々のポリマー分子を放出するのがより困難であり、従ってその中に完全に水和することがより困難である。例えば、これらのより「困難な」媒体は通常、塩が多く、pHが低く、及び/又は高レベルの溶解非イオン固体(スクロース又は糖アルコールのような)の存在を有する。水和媒体が個々のポリマー分子をその中に水和させるのが充分に困難である場合、ガム粒子は膨潤してポリマーを完全に放出することができない。このような場合には、ポリマーを使用するのに過剰な混合、熱又は水和媒体の変更を必要とし得る。一態様では、本発明のキサンタンガムの一つの特徴が、通常のキサンタンガムと比較して、塩が多いもの、pHが低いもの、及び/又は高レベルの溶解非イオン固体を含むもの等のこれら困難な媒体中で完全に水和する能力である。この態様は、通常のキサンタンガムに共通する明らかな不利益、本発明のキサンタンガムが克服する不利益を強調する。媒体の種類及び「困難な」媒体の定義は変化するため、当業者は、本発明のキサンタンガムが、ある定義された媒体中で示す特性に基づき定義されることを理解するであろう。
水和速度に関して、本発明のキサンタンガムは次の通りの溶液特性を有する。一態様では、キサンタンガムが1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で約3分未満(上述するように)、約2.5分未満、約2分未満又は約1.5分未満の水和速度を有する(図3)。溶液のNaClレベルを3wt%まで増加した場合でも、キサンタンガムは溶解した場合に1wt%濃度で約4分未満、約3.5分未満、約3分未満、約2.5分未満又は約2分未満の水和速度を示す(図4)。また3wt%クエン酸溶液のような他の媒体中では、0.4wt%のキサンタンガム濃度で、水和速度が約6分未満と比較的速い。40wt%スクロース+4wt%NaClの溶液については、0.35wt%のキサンタンガム濃度で水和速度が約8分未満である。
更なる態様において、本発明のキサンタンガムは困難な水和媒体にさらに耐えることができる。本態様の例を、困難な媒体中で向上した水和の視覚的な証拠を提示する図10で示す。この場合、6wt%NaClは、通常のキサンタンガムの水和を阻害するのに充分であった。6分間の混合の後でも、通常のキサンタンガムについては、目に見える量の未水和キサンタンガムが残る(図10の右側で示す)。しかしながら、本発明のキサンタンガム(図10の左側で示す)はこの媒体中で完全に水和する。従って、一態様では、本発明のキサンタンガムが6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて約10分未満、約9分未満、約8分未満、約7分未満、又は約6分未満で本質的に完全に水和する能力を有する。このように、本発明のキサンタンガムは、目に見える粒子が欠如している外観によって判断して、完全に水和される(図10)。多くのキサンタンガム系は、困難な媒体中で水和する能力を持つキサンタンガムを入手することを要求するか又はそのことから利益を得る。例えば、食品のソース又はドレッシングは、高レベルの塩及び酸と一緒に高レベルの溶解固体(砂糖若しくはコーンシロップ)を含み、よって一般に「困難な」媒体を構成する。
更に、本発明のキサンタンガムは、10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで約1時間のプロペラ混合で完全な水和を得ることができる(5000mPa・sの3rpm粘度、ブルックフィールドNo.1スピンドル)。これらの条件下、本発明のキサンタンガムは、10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで約0.7時間、約0.8時間、約0.9時間、約1.0時間、約1.1時間、約1.2時間又は約1.3時間のプロペラ混合で完全な水和を得ることができる。
本発明のキサンタンガムの優れた増粘特性を実証するため、様々な塩濃度下で本発明のキサンタンガムを利用した溶液の粘度を通常のキサンタンガムと比較した。図5に示すように、各キサンタンガムを0.01モル濃度(M)NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで1時間混合して、本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの比較を実施した。生じた溶液の粘度をブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを3rpmで用いて測定した。本発明のキサンタンガムは、約1750mPa・sより高い、約1800mPa・sより高い、約1850mPa・sより高い、約1900mPa・sより高い、約1950mPa・sより高い、約2000mPa・sより高い、約2050mPa・sより高い、又は約2100mPa・sより高い粘度を有する。特に定めのない限り、これらの条件下で、本発明のキサンタンガムは最高約2400mPa・s、最高約2500mPa・s、又は最高約2600mPa・sの粘度を有することができる。比較物の市販のキサンタンガムは、著しく低い粘度を示し、約1時間の混合後に完全に水和されていなかった。このように、これらのデータは低度の塩環境下で様々な市販のキサンタンガムを上回る本発明のキサンタンガムの優れた性能を実証する。
図6に示すように、各キサンタンガムを0.1MのNaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度にて周囲条件下1800rpmで1時間混合して、本発明のキサンタンガムと市販のキサンタンガムとの比較を行った。生じた溶液の粘度をブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを3rpmで用いて測定した。一態様では、本発明のキサンタンガムが約1700mPa・sより高い、約1750mPa・sより高い、約1800mPa・sより高い、約1850mPa・sより高い、約1900mPa・sより高い、約1950mPa・sより高い、約2000mPa・sより高い、約2050mPa・sより高い、又は約2100mPa・sより高い粘度を有する。特に定めのない限り、これらの条件下で、本発明のキサンタンガムは最高約2300mPa・s、最高約2400mPa・s、最高約2500mPa・s、又は最高約2600mPa・sの粘度を有することができる。比較物の市販のキサンタンガムは、著しく低い粘度を示し、約1時間の混合後に完全に水和されていなかった。このように、これらのデータは中程度の塩環境下で様々な市販のキサンタンガムを上回る本発明のキサンタンガムの優れた性能を実証する。
上述した特性の全ては、本開示のキサンタンガムを増粘剤、粘度調整剤、乳化剤及び/又は安定剤として、紙用、建築用、繊維用、食品用、化粧品用、農薬用、医薬用、産業用及び家庭用の洗剤用、石油の採掘用及び補助回収用、並びに水処理用の製剤へ組み込むことを可能にする。キサンタンガムは、多数の製品における成分として用いられ、特性を向上させる。その特性としては、粘度、粒子の懸濁、食感、嵩、保水、増粘、エマルション安定化、発泡増強、及びずり減粘が挙げられる。本発明のキサンタンガムを用いる食品としては、例として、サラダドレッシング、シロップ、ジュース飲料及び冷菓が挙げられる。また他の製品としては、印刷用染料、石油掘削流体、セラミック釉薬、並びに医薬組成物、洗浄液、塗料及びインク、壁紙接着剤、農薬、歯磨き粉、並びに酵素及び細胞固定剤も挙げられる。医薬組成物用にキサンタンガムを担体として又は制御放出マトリックスとして用いることができる。
該キサンタンガムは通常の水中キサントモナス発酵法を用いて生産する。本開示の一態様では、キサントモナスの種培養物を、約0.2m〜約20mの発酵容器を用いて約20〜約40時間かけて小規模で生産してもよい。発酵は周囲条件下で行い得る。キサントモナスの種培養物を、コーンスターチの形態の約2.0〜約6.0wt%(好ましくは約3.0〜約4.0wt%)の炭素源と、大豆タンパク質の形態の約0.1〜約0.5wt%(好ましくは、約0.1〜約0.3wt%)の窒素源と、約0.005〜約0.02wt%(好ましくは0.05〜約0.015wt%)の炭酸カルシウムとを含有する発酵培地と一緒に約20m〜約250mのフルスケール発酵容器に加え得る。発酵の間に撹拌及び通気を供給して、発酵培地の酸化添加を提供し得る。発酵培地のpHはKOH又はNaOHの滴定添加で約6.0〜約7.5の範囲に制御することができる。約50〜約100時間後、発酵が完結し、キサンタンガム水溶液を含む発酵液が生じる。
発酵が完結した後、水と混和性又は少なくとも幾らか混和性の有機溶媒を一般に使用して、例えば、アルコール、ケトン又は水と混和性の他の有機溶媒を使用して、キサンタンガムを発酵液から沈殿させることができる。有機溶媒は、あらゆる市販の形態で、例えば、無水溶媒として、アルコール若しくはケトンの混合物(例えば、異性体混合物)として、又は水に含まれる有機溶媒の混合物(例えば、共沸混合物)として用いることができる。一態様では、有機溶媒を、アルコールのあらゆる混合物若しくは組み合わせを含め、メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール(イソプロピルアルコール)、n−ブタノール、イソブタノール等のようなアルコールとすることができる。更に、アルコールをエタノール又はイソプロパノール又はエタノール若しくはイソプロパノールの組み合わせとしてもよい。更に別の態様では、キサンタンガムを沈殿させるため、有機溶媒を発酵液に少なくとも約0.5:1の体積比で、つまり、1体積の発酵液につき0.5体積の有機溶媒を加えることができる。一態様では、有機溶媒をキサンタンガム水溶液に約0.6:1〜約3:1の有機溶媒対発酵液の体積比で加えることができる。例えば、エタノールをキサンタンガム水溶液に約0.6:1〜約3:1の有機溶媒対発酵液の体積比で加えてもよい。別の態様では、エタノールを約1.25:1〜約2.5:1のエタノール対発酵液の体積比で加えることによって、キサンタンガムを発酵液から沈殿させることができる。
キサンタンガム沈殿物は、通常の技術を用いて、例えばデカンテーションによって、分離又は単離することができる。単離したキサンタンガムを、所望の通りに更に処理して、例えば、過剰な溶媒を除去してもよい及び/又はキサンタンガム生成物の粒度を改善してもよい。一態様では、回収したキサンタンガムを圧搾して過剰なアルコール及び水を除去し、次いで乾燥させることができる。更なる態様では、残留水分含量が所望のレベル、例えば、約5〜約15wt%に減少するまで、約50℃〜約90℃の温度で乾燥させることができる。更に、所望であれば、キサンタンガムを、例えば、約50〜約750ミクロンの平均粒径まで粉砕してもよい。
本明細書中で説明するように、単離したキサンタンガム生成物を、所望であれば、あらゆる通常の発酵後/単離後処理に供することは、当業者の通常の技能の範囲内であると考えられる。しかしながら、本発明で開示するキサンタンガムは、本発明で開示する所望の特性を得るのに発酵後又は単離後処理は必要ない。
本開示のキサンタンガムのユニークな特徴を特徴付けるためにここで利用する試験方法は次の通りである。
[キサンタンガムの低せん断速度粘度(“LSRV”)の測定]
下記の手順を用いてキサンタンガムのLSRVを測定した。800±20rpmで撹拌しながら、キサンタンガム(0.01グラムまで四捨五入して秤量した0.75グラム)を400mLの背の高い形状のビーカーに入れた299mLの標準水道水にゆっくり加えた。撹拌をおよそ4時間続けた。試験溶液の撹拌を止める直前まで(4時間後)、溶液の温度を25±2℃に調節した。試験溶液を撹拌機から取外し、室温で30±5分間静かに放置した(温度制御した水浴中に置いてもよい)。溶液を30分間放置した後、ビーカーの中央と側面との間の溶液に温度計を挿入することによって、温度を測定した。正確さのため、粘度の測定の前に溶液を乱さなかった。ブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを3rpmで用いて25±2℃で粘度を測定した。スピンドルを3分間回転させた後に、ミリパスカル秒(“mPa・s”)又はセンチポイズ(“cP”)で粘度を記録した。
[キサンタンガムの海水粘度の測定]
レイクプロダクツ社(ミズーリ州メリーランドハイツ)製の海塩41.95gを1リットルの脱イオン水に溶解させることによりASTM D1141−52に準拠して海水溶液を調製した。ハミルトン-ビーチ936-2ミキサー(ハミルトン-ビーチ事業部、ワシントンD.C.)に取り付けた混合カップに300mL分の海水溶液を移した。ミキサーの速度コントローラーを低速に設定し、混合シャフトに片面溝付きディスクを取り付けた。低速設定で、ミキサーシャフトはおよそ4,000〜6,000rpmで回転した。0.86g分のキサンタンガムを混合カップに15〜30秒かけてゆっくり加え、5分間混合した。ミキサーの速度コントローラーを高速(11,000±1,000rpm)に設定し、試験溶液をおよそ5分間混合した。この混合物をキサンタンガム添加時から開始して合計45分間混合した。45分の混合時間の最後で、2〜3滴のBARA−DEFOAM(登録商標)消泡剤(NLバロイド/NLインダストリーズ社、テキサス州ヒューストン)を加えて、更に30秒間撹拌を続けた。混合カップをミキサーから取り外して冷却水に浸し、液体の温度を25℃±0.5℃まで下げた。確かに均質な溶液とするために、溶液を冷却の後5秒間11,000±1,000rpmで再混合した。溶液を混合カップから400mLのパイレックスビーカーに移し、ファン(Fann)粘度(ファン粘度計、35Aモデル)を測定した。3rpmで混合することによってこれを実施した。測定値を安定させ、次いで、せん断応力値を目盛り盤から読んで3rpmでの海水粘度として記録した。
[キサンタンガムの水和速度の測定]
水和速度試験機を開発し、水溶液中でのキサンタンガムの水和速度を測定した。水和速度は、試料が最大トルクの90%に達する時間として定義した。これは完全な水和を直接測定しないが、90%時点は試料の比較にとって有用な測定基準である。最終値への接近は漸進的であって測定値における少しのランダム誤差によってすら影響されるため、得られる100%時点はより変動しやすい。図7に示す機器は、変速モーターを利用して、トルク検出ロードセルに据付けたビーカー内の溶液を撹拌した。一定速度で混合しながら試験を開始し、キサンタンガムを溶液に加えた。 キサンタンガムの水和のために溶液粘度が増大するにつれて、ビーカーに対するトルク(ねじり力)が増加した。トルク値をコンピュータによって連続的にモニターし、トルク率対時間に関してデータを正規化し、印刷し、プロットした。トルクは試料の粘度の直接測定ではなかったが、トルクは時間と共に展開する粘度の有益な測定値を提供した。
[図7及び図8に示す水和速度の測定用装置]
1.試験架台(704)―変速モーター(702)、SCRコントローラー(714)及びトルクロードセル(710)を固定している機器本体。平板(712)を据付けたトルクロードセルは、迅速に取り外し可能で自動調心であるように設計された。コントローラー(714)は、速度制御つまみ(716)及びオン/オフ電源スイッチ(718)を有する。
2.トルクロードセル(710)及び信号調整器(720)―トルク検出ロードセル(710)は非常に小さな力を測定した。信号調整器(720)は、ロードセル(710)上のトルクの変化を電気的に検出して、この情報をデジタルマルチ電圧計(722)に電気的に送った。信号調整器(720)はオン/オフ電源スイッチ(718)を有する。
3.モーター(702)―DC変速モーター(702)及び適当なチャック(706)を本試験機に用いた。速度範囲は高度な安定性(±5rpm)を有し、およそ0〜1200rpmであった。
4.マルチメーター(722)―信号調整器(720)からの電圧計測値をデジタル化して、その情報をコンピュータに送った。計測値を5桁の有効数字で1秒当たり5回測った。
5.Hバー撹拌機(802)―図8に示す通りのHバー撹拌機(802)は次の寸法を有する:全長8インチ、横材までの長さ7インチ、“H”は1.5インチ×1.5インチ(0.25インチのステンレス製合わせ釘を用いた)。Hバー撹拌機(802)は、底から2〜4mmの間隔を空けて、溶液内で渦を維持しながら溶液を撹拌するように特別に設計した。
6.試料カップ(804)―250mLのステンレス鋼製グリフィンビーカー(804)を用いて溶媒を保持した。試料カップ(804)を、試料カップホルダー(708)により保持し、試料カップ位置決めネジ(724)により固定する。
7.回転速度計―デジタルフォトタコメーターを用いて撹拌機(802)の速度を正確に調整した。
水和速度試験手順:試験では、80メッシュの粒子サイズのキサンタンガムを用い、ポリエチレングリコール(PEG)中に3:1の重量比で分散させて、室温(23±2℃)にて手動で混合した。試験する試料は、試験を開始する直前に分散剤と共に混合した。溶質は、下記実施例及び図に記述するように変化した。1.0gのNaClと0.15gのCaCl・2HOとを1リットルの脱イオン水に溶解させることによって、溶質の一つである標準水道水(STW)を調製した。130mLの体積を用いた。特に断りのない限り、キサンタンガムを1wt%の濃度で試験した。撹拌速度は600rpmであった。非常に制御した一定のやり方で4〜5秒の時間をかけて試料を加えた。一貫性及び正確性のため、速すぎたり遅すぎたり不均一なやり方で試料を加えてはならない。
データを、試験の間に発生した最大トルクの0〜100%にスケール変更した。最大トルクの90%に達する時間を水和速度として計った。この値は安定且つ反復可能であることが分かった。100%トルクへの最終接近段階は漸進的であり電気的ノイズ及び/又は振動のような背景因子に左右されるため、100%に達する時間は用いなかった。このやり方で作成したトルクカーブの例を図9に提示する。
下記実施例において、発酵に用いた生物は、寄託番号PTA−11272の下で2010年8月31日にアメリカ培養細胞系統保存機関(ATCC、特許寄託機関、アメリカ合衆国バージニア州20110−2209、マナッサス、ユニバーシティブールバード1081)に寄託されたキサントモナス・キャンペストリス病原型キャンペストリスのアジア株であった。
発酵は周囲条件下で行った。キサントモナスの種培養物を3.8wt%炭素源(コーンスターチ)と0.25wt%窒素源(大豆タンパク質)と0.01wt%CaCOとを含有する発酵培地と一緒に発酵容器に加えた。発酵の間に撹拌及び通気を供給して、発酵培地の適切な酸化添加を提供した。発酵の間、発酵培地のpHをKOHの添加で約6.0〜7.5の範囲に制御した。約60時間後、発酵が完結し、1.5体積のエタノールを発酵液に添加することによってキサンタンガムを発酵液から沈殿させた。回収したキサンタンガムを圧搾して過剰なアルコール及び水を除去し、次いで残留水分含量が10wt%となるまで70℃の温度で乾燥させた。最後に、キサンタンガムを80ミクロンの平均粒径まで粉砕した。
図1〜6及び10並びに表1〜4に示すように、各々の実施例において、本発明のキサンタンガムを市販の80メッシュのキサンタンガム(KELTROL(登録商標)及びKELZAN(登録商標)の商標名でCPケルコUS社から市販されているもの、OPTIZXAN(登録商標)及びNOVAXAN(登録商標)の商標名でアーチャー・ダニエルズ・ミッドランド(ADM)社から市販されているもの、ZIBOXAN(登録商標)の商標名でシャントン・デオセン(Shandong Deosen)社から市販されているもの、フフェン(Fufeng)グループ社のキサンタンガム、並びにVERSAGUM(登録商標)の商標名でカーギル社から市販されているもの)と比較した。
別の実施例において、図10は、1wt%のキサンタンガム濃度で6wt%NaCl溶液中において本発明のキサンタンガム(左側の写真)がCPケルコ製の標準キサンタンガム(右側)と比較してどのような状態であるかを示す。混合した溶液を一連の経過時間(30秒、1分、3分及び6分)で撮影した。写真の側面はビーカーであり、真ん中の形は撹拌機のシャフトである。各写真は、泡(鮮明な円形の明るい領域)と未水和キサンタンガム(淡い灰色の塊)の両方を示す。キサンタンガムが水和するにつれて、未水和キサンタンガムは見えなくなるまで徐々に見えにくくなった。本発明のキサンタンガムは6分後に見えなくなった。標準キサンタンガムは、はるかに多くの未水和領域を示し、それは混合で消失しなかった。特に、図10の写真は、目視法を用いてガムの水和をどのように識別するかを説明する。
特に指定のない限り、いずれかの種類の範囲を開示又は特許請求する場合、列挙した範囲は、その範囲の上限及び下限を含めることを意図する。従って、「の間」又は「の範囲」という用語及び同様の用語は、その範囲の上限からその範囲の下限までを含めて意味することを意図する。更に、特に指定のない限り、いずれかの種類の範囲、例えば、濃度、粘度又は温度等の範囲を開示又は特許請求する場合、当該範囲が合理的に包含できる各可能な数を、包含される部分範囲を含めて個別に開示又は特許請求することを意図する。例えば、約2400mPa・sと約2600mPa・sとの間の粘度を記載する場合、当該範囲が合理的に包含する各可能な数、通常、範囲の端点に存在する値だけでなく一桁を超える有効数字の範囲内の値までが本開示に含まれることを意図する。この例では、約2400mPa・sから約2600mPa・sまでの粘度を開示することにより、当該開示は、約2400mPa・s、約2410mPa・s、約2420mPa・s、約2430mPa・s、約2440mPa・s、約2450mPa・s、約2460mPa・s、約2470mPa・s、約2480mPa・s、約2490mPa・s、約2500mPa・s、約2510mPa・s、約2520mPa・s、約2530mPa・s、約2540mPa・s、約2550mPa・s、約2560mPa・s、約2570mPa・s、約2580mPa・s、約2590mPa・s、又は約2600mPa・sの粘度をこれら列挙する数の間のあらゆる範囲、部分範囲又は範囲若しくは部分範囲のあらゆる組み合わせ等を含めて開示することに等しいことを意図する。従って、何らかの理由で、例えば、出願人が出願の時点で認知していない参照文献を考慮して、出願人が完全な開示範囲よりも狭く特許請求することを選択する場合には、このような任意の群のいずれかの個々の要素を、群内のあらゆる部分範囲及び部分範囲の組合せを含め、除外または排除する権利を保有する。
米国特許商標庁に対するあらゆる出願において、その出願の要約は、37C.F.R§1.72の要求を満たす目的及び「一般に米国特許商標庁及び公衆が簡単に目を通すだけで技術的開示の性質及び要旨を速やかに判断できる」という37C.F.R§1.72(b)に定められた目的のために提供される。従って、本願の要約は、特許請求の範囲を解釈するため又は本明細書中に開示された主題の範囲を限定するために用いられることを意図しない。更に、本明細書中で用いられ得るあらゆる見出しも、特許請求の範囲を解釈するため又は本明細書中に開示された主題の範囲を限定するために用いられることを意図しない。推定または予見として別に示された実施例を説明するための過去時制のいかなる使用も、その推定的または予見的実施例が実際に行われたことを示すものではない。

Claims (16)

  1. ATCC寄託番号PTA−11272を有する遺伝子操作されていないキサントモナス・キャンペストリス株から単離された、未改質のキサンタンガムであって、
    下記特性:
    (a)標準水道水中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで1600mPa・sより高い低せん断速度粘度;
    (b)合成海水中で水和した場合に0.286w%(1ポンド/バレル)で20より高い海水粘度;
    (c)1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で3分未満の水和速度;及び
    (d)6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度にて10分未満で本質的に完全に水和する能力;
    を有するキサンタンガム。
  2. 標準水道水中で0.25wt%のキサンタンガム濃度まで水和した場合に3rpmで1800mPa・sより高い低せん断速度粘度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  3. 1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で2分未満の水和速度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  4. 3wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で4分未満の水和速度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  5. 3wt%クエン酸溶液中で0.4wt%のキサンタンガム濃度で6分未満の水和速度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  6. 6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で8分未満にて本質的に完全に水和する能力を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  7. 10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度で周囲条件下1800rpmにて1時間のプロペラ混合後の完全な水和を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  8. 0.01M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に、周囲条件下1800rpmにて1時間の混合後にブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定して、1900mPa・sより高い粘度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  9. 0.01M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に、周囲条件下1800rpmにて1時間の混合後にブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定して、2100mPa・sより高い粘度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  10. 0.1M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に、周囲条件下1800rpmにて1時間の混合後にブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定して、1900mPa・sより高い粘度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  11. 0.1M NaCl溶液中で0.25wt%のキサンタンガム濃度で水和した場合に、周囲条件下1800rpmにて1時間の混合後にブルックフィールドLVモデル粘度計でNo.1スピンドルを用いて3rpmで測定して、2100mPa・sより高い粘度を含む特性を更に示す、請求項1に記載のキサンタンガム。
  12. 石油の掘削用若しくは補助回収用、水処理用、食品、化粧品、医薬品若しくは農薬処方用、産業用若しくは家庭用の洗剤用、又は紙、建築若しくは繊維用の製剤において、増粘剤、粘度調整剤、乳化剤又は安定剤として使用される、請求項1に記載のキサンタンガム。
  13. 前記キサンタンガムがキサントモナス・キャンペストリス病原型キャンペストリスの発酵から得られる、請求項1に記載のキサンタンガム。
  14. 前記キサンタンガムが脱水状態である、請求項1に記載のキサンタンガム。
  15. ATCC寄託番号PTA−11272を有する遺伝子操作されていないキサントモナス・キャンペストリス株から単離された、未改質のキサンタンガムであって、
    下記特性:
    (a)標準水道水中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度で水和した場合に3rpmで1600mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度;
    (b)合成海水中で水和した場合に0.286w%(1ポンド/バレル)で20より高い海水粘度;
    (c)1wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で3分未満の水和速度;
    (d)6wt%NaCl溶液中で1wt%のキサンタンガム濃度で10分未満にて本質的に完全に水和する能力;
    (e)10wt%硝酸アンモニウム溶液中で0.2wt%のキサンタンガム濃度で周囲条件下1800rpmにて1時間のプロペラ混合後に完全な水和を得る能力;
    (f)0.01モル濃度(M)NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで1750mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度;
    (g)0.1モル濃度(M)NaCl溶液中で0.25重量パーセント(wt%)のキサンタンガム濃度にて3rpmで1700mPa・s(cP)より高い低せん断速度粘度;又は
    (h)これらの組み合わせ;
    を有するキサンタンガム。
  16. 前記キサンタンガムがキサントモナス・キャンペストリス病原型キャンペストリスの発酵から得られる、請求項15に記載のキサンタンガム。
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