Potassium Alginate CAS 9005-36- 1

Kaliumalginat ist ein wasserlösliches Polysaccharid, das aus Braunalgen (Phaeophyceae), wie Laminaria und Macrocystis, gewonnen wird. Es ist ein Salz der Alginsäure, eines natürlichen linearen Copolymers, das aus (1,4)-verknüpften β-D-Mannuronsäure- (M) und α-L-Guluronsäureresten (G) besteht. Kaliumalginat wird in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt, darunter in der Lebensmittel-, Pharma- und Körperpflegeindustrie sowie in industriellen Anwendungen.

1.Chemische Struktur und Eigenschaften

Molekulare Formel: (C6H7KO6)n

Molekulargewicht: Variiert je nach Quelle und Extraktionsverfahren und liegt in der Regel zwischen 32.000 und 400.000 g/mol.

Äußeres Erscheinungsbild: Weißes bis gelblich-braunes Pulver oder Granulat

Löslichkeit: Löslich in Wasser, bildet viskose Lösungen, unlöslich in organischen Lösungsmitteln wie Alkohol, Ether und Aceton.

pH-Bereich: Neutral bis leicht sauer (pH 5-8)

Thermische Stabilität: Stabil bis zu 200°C, kann sich aber bei höheren Temperaturen abbauen

A.Chemische Struktur

Kaliumalginat ist ein lineares Polysaccharid, das aus (1,4)-verknüpften β-D-Mannuronsäure- (M) und α-L-Guluronsäureresten (G) besteht.

Die chemische Struktur kann wie folgt dargestellt werden:

[-β-D-mannuronate-(1,4)-α-L-guluronate-(1,4)-]n

Das Verhältnis und die Verteilung der M- und G-Einheiten innerhalb der Polymerkette können je nach Herkunft der Algen und dem Extraktions-/Reinigungsverfahren variieren. In der Regel liegt das M/G-Verhältnis zwischen 0,5 und 2,0, was die physikochemischen Eigenschaften des Kaliumalginats beeinflusst.

B.Molekulargewicht und Polydispersität

Kaliumalginat ist ein hochmolekulares Polymer mit einem typischen Molekulargewicht von 32.000 bis 400.000 g/mol. Die Molekulargewichtsverteilung ist im Allgemeinen polydispers, d. h. die Polymerketten weisen eine Reihe unterschiedlicher Molekulargewichte auf. Der Polydispersitätsindex (PDI) von Kaliumalginat kann zwischen 1,5 und 3,0 liegen, was auf eine relativ breite Molekulargewichtsverteilung hinweist.

C.Löslichkeit und Ionisierung

Kaliumalginat ist leicht in Wasser löslich und bildet viskose, kolloidale Lösungen, die auf die Ionisierung der Carboxylgruppen der Uronsäurereste zurückzuführen sind, die in wässriger Umgebung deprotoniert werden. Der Grad der Ionisierung und die Löslichkeit von Kaliumalginat wird durch den pH-Wert der Lösung beeinflusst, wobei die maximale Löslichkeit im neutralen bis leicht sauren Bereich (pH 5-8) auftritt. In saurem Milieu (pH < 5) können die Carboxylgruppen protoniert werden, was zu einer geringeren Löslichkeit und einer möglichen Ausfällung des Polymers führt.

D.Rheologische Eigenschaften

Kaliumalginatlösungen zeigen ein scherverdünnendes (pseudoplastisches) Verhalten, bei dem die Viskosität mit zunehmender Scherrate abnimmt; dieses nicht-newtonsche Fließverhalten wird auf die Ausrichtung und Entflechtung der Polymerketten unter Scherspannung zurückgeführt. Die Viskosität von Kaliumalginatlösungen kann durch Faktoren wie Konzentration, Molekulargewicht und das Verhältnis von M- zu G-Einheiten beeinflusst werden. Höhere Konzentrationen, höhere Molekulargewichte und ein höherer G-Gehalt führen im Allgemeinen zu einer höheren Viskosität der Lösung.

E.Thermische Stabilität

Kaliumalginat ist bei Temperaturen von bis zu 200 °C relativ stabil und eignet sich daher für verschiedene thermische Verarbeitungsanwendungen. Bei längerer Exposition gegenüber hohen Temperaturen (> 200 °C) kann es jedoch zu einem Abbau des Polymers kommen, was zu einer Verringerung des Molekulargewichts und einer Veränderung der physikalisch-chemischen Eigenschaften führt. Die thermische Stabilität von Kaliumalginat kann durch Faktoren wie den pH-Wert, das Vorhandensein von Metallionen und die spezifischen Verarbeitungsbedingungen beeinflusst werden.

2.Funktionelle Eigenschaften

Verdickungs- und Stabilisierungsmittel: Kaliumalginat kann die Viskosität erhöhen und die Stabilität von wässrigen Systemen verbessern.

Gelbildung: In Gegenwart von zweiwertigen Kationen (z. B. Kalzium) kann Kaliumalginat feste, elastische Gele durch einen Prozess bilden, der als "Eierkartongelierung" bezeichnet wird.

Emulgierung und Suspension: Kaliumalginat kann als Emulgator und Suspensionsmittel wirken und Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsionen stabilisieren.

Wasserbindungsvermögen: Kaliumalginat kann große Mengen an Wasser absorbieren und binden, was es zu einem nützlichen Mittel zur Feuchtigkeitsbindung macht.

A.Verdickungs- und Stabilisierungsmittel

Kaliumalginat ist ein wirksames Verdickungs- und Stabilisierungsmittel, wenn es in wässrigen Systemen aufgelöst wird. Die langen, linearen Polymerketten von Kaliumalginat verwickeln sich und interagieren miteinander, wodurch die Viskosität der Lösung erhöht wird. Durch diese Verdickungsfähigkeit kann Kaliumalginat die Textur, das Mundgefühl und die Stabilität verschiedener Lebensmittel, Körperpflege- und Industrieprodukte verbessern.

Die viskositätssteigernden Eigenschaften von Kaliumalginat werden durch Faktoren wie Konzentration, Molekulargewicht und das Verhältnis von Mannuron- (M) zu Guluronsäureeinheiten (G) beeinflusst.

B.Gel-Bildung

Kaliumalginat hat die Fähigkeit, in Gegenwart von zweiwertigen Kationen, wie Kalzium (Ca2+) und Strontium (Sr2+), feste, elastische Gele zu bilden. Der Gelierungsprozess basiert auf dem "Eierkarton"-Modell, bei dem die zweiwertigen Kationen mit den Guluronsäureresten (G) interagieren und Verbindungszonen bilden, die die Polymerketten vernetzen. Die Festigkeit und die Eigenschaften von Kaliumalginatgelen werden von Faktoren wie dem M/G-Verhältnis, der Art und Konzentration der zweiwertigen Kationen und dem pH-Wert des Systems beeinflusst.

Kaliumalginat-Gele werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. als Texturgeber für Lebensmittel, als Arzneimittelverabreichungssysteme und als Wundverbände.

C.Emulgierung und Suspension

Kaliumalginat kann als wirksamer Emulgator und Suspensionsmittel sowohl in Öl-in-Wasser- als auch in Wasser-in-Öl-Emulsionen wirken. Die langen, flexiblen Polymerketten von Kaliumalginat können an der Öl-Wasser-Grenzfläche adsorbieren, die Emulsionströpfchen stabilisieren und ihre Koaleszenz verhindern. Außerdem kann Kaliumalginat die Viskosität der kontinuierlichen Phase erhöhen und so die Suspension und Stabilität von dispergierten Partikeln oder Öltröpfchen verbessern.

Diese Emulgier- und Suspendierfähigkeit von Kaliumalginat ist bei der Formulierung verschiedener Lebensmittel-, Kosmetik- und Körperpflegeprodukte nützlich.

D.Wasserbindungsvermögen

Kaliumalginat hat eine hohe Wasserbindungskapazität, die es ihm ermöglicht, große Mengen an Wasser zu absorbieren und zu binden. Diese Eigenschaft wird auf die hydrophile Natur des Polymers und die Bildung von Wasserstoffbrücken zwischen den Wassermolekülen und den Carboxyl- und Hydroxylgruppen des Alginats zurückgeführt. Das Wasserbindevermögen von Kaliumalginat kann durch Faktoren wie das Molekulargewicht, das M/G-Verhältnis und den Vernetzungsgrad beeinflusst werden. Die Fähigkeit von Kaliumalginat, Wasser zu binden, macht es zu einem nützlichen feuchtigkeitsspendenden Mittel in verschiedenen Anwendungen, wie Körperpflegeprodukten, Wundverbänden und landwirtschaftlichen Formulierungen.

3.Anwendungen

A.Anwendungen in der Lebensmittelindustrie

a.Verdickungsmittel und Stabilisator

Kaliumalginat wird als Verdickungs- und Stabilisierungsmittel in einer Vielzahl von Lebensmitteln verwendet, z. B. in Molkereiprodukten (z. B. Joghurt, Eiscreme), Soßen, Dressings und Teigen. Es trägt zur Verbesserung der Textur, des Mundgefühls und der Suspensionsstabilität dieser Lebensmittel bei.

b.Geliermittel

Kaliumalginat kann in Gegenwart von zweiwertigen Kationen, wie z. B. Kalzium, feste, elastische Gele bilden. Diese Gelierfähigkeit wird bei der Herstellung von Gelees, Konfitüren und verschiedenen Süßwaren genutzt.

c.Emulgator und Fettersatzstoff

Kaliumalginat kann als Emulgator wirken und Öl-in-Wasser-Emulsionen in fettarmen oder fettfreien Lebensmitteln stabilisieren. Es kann auch als Fettersatzstoff verwendet werden, der ein ähnliches Mundgefühl und eine ähnliche Textur wie das ursprüngliche fetthaltige Produkt bietet.

B.Pharmazeutische und medizinische Anwendungen

a.Bindemittel und Sprengmittel für Tabletten

Kaliumalginat wird als Bindemittel bei der Formulierung fester Darreichungsformen wie Tabletten und Kapseln verwendet, um deren mechanische Festigkeit und Stabilität zu verbessern. Es kann auch als Sprengmittel wirken, das den Zerfall der Tablette oder Kapsel im Magen-Darm-Trakt erleichtert.

b.Wundverband und Absorptionsmittel

Wundauflagen auf Kaliumalginatbasis werden zur Behandlung exsudierender Wunden verwendet, da das Polymer große Mengen an Wundflüssigkeit absorbieren und zurückhalten kann. Die Gelbildungsfähigkeit von Kaliumalginat trägt zur Aufrechterhaltung eines feuchten Wundmilieus bei, was die Heilung fördern kann.

c.Sustained-Release-Matrix

Kaliumalginat kann bei der Entwicklung von Systemen zur kontrollierten oder verzögerten Freisetzung von Arzneimitteln verwendet werden, wobei es eine Matrix bildet, die die Freisetzung des pharmazeutischen Wirkstoffs kontrolliert.

C.Körperpflege und kosmetische Anwendungen

a.Viskositätsmodifikator und Stabilisator

Kaliumalginat wird als Viskositätsmodifikator und Stabilisator in verschiedenen Körperpflegeprodukten wie Lotionen, Cremes, Gelen und Zahnpasten verwendet. Es hilft bei der Einstellung der rheologischen Eigenschaften und verbessert die Gesamtstabilität dieser Formulierungen.

b.Emulgator und Suspensionsmittel

Kaliumalginat kann als Emulgator und Suspensionsmittel in Körperpflegeprodukten wirken und Öl-in-Wasser- oder Wasser-in-Öl-Emulsionen stabilisieren. Dies hilft beim Dispergieren und Suspendieren von Wirkstoffen oder Partikeln im Endprodukt.

D.Industrielle Anwendungen

a.Bindemittel

Kaliumalginat wird als Bindemittel in Keramik-, Farb- und Papierbeschichtungsformulierungen verwendet und verbessert die Kohäsion und die mechanischen Eigenschaften der Endprodukte.

b.Flockungsmittel und Suspensionsmittel

In der Abwasserbehandlung kann Kaliumalginat als Flockungsmittel eingesetzt werden, das zur Entfernung von Schwebstoffen und Verunreinigungen beiträgt. Es kann auch als Suspensionsmittel wirken und die Stabilität von dispergierten Partikeln in verschiedenen industriellen Prozessen aufrechterhalten.

c.Verdickungsmittel und Stabilisator

Kaliumalginat wird als Verdickungs- und Stabilisierungsmittel in Textildruck- und Färbeprozessen eingesetzt, um die Viskosität und Stabilität der Formulierungen zu verbessern.

4.Regulatorischer Status und Sicherheit

A.Gesetzliche Bestimmungen Status

a.Lebensmittelindustrie

Kaliumalginat ist in der Europäischen Union als Lebensmittelzusatzstoff (E-Nummer: E402) zugelassen. Es wird von der US-amerikanischen Food and Drug Administration (FDA) für die Verwendung als direkter Lebensmittelzusatzstoff allgemein als sicher anerkannt (GRAS).

Der Gemeinsame FAO/WHO-Sachverständigenausschuss für Lebensmittelzusatzstoffe (JECFA) hat für Alginate, einschließlich Kaliumalginat, eine zulässige Tagesdosis (ADI) von 0-30 mg/kg Körpergewicht festgelegt.

b.Pharmazeutische und medizinische Produkte

Kaliumalginat ist in der United States Pharmacopeia (USP) und der European Pharmacopoeia (Ph. Eur.) für pharmazeutische Anwendungen enthalten. Es ist als sicheres und geeignetes Hilfsmittel bei der Entwicklung verschiedener Arzneimittelformulierungen, einschließlich Tabletten, Kapseln und Wundverbänden, anerkannt.

c.Kosmetika und Körperpflegemittel

Kaliumalginat ist in der Europäischen Union, den Vereinigten Staaten und anderen wichtigen Märkten für die Verwendung in Kosmetik- und Körperpflegeprodukten zugelassen. Es ist in kosmetischen Vorschriften und Richtlinien wie der Cosmetic Ingredient Review (CIR) und der International Nomenclature of Cosmetic Ingredients (INCI) als sicherer und zugelassener Inhaltsstoff aufgeführt.

B.Sicherheit und Toxikologie

a.Akute Toxizität

Kaliumalginat weist bei oraler, dermaler oder inhalativer Verabreichung eine geringe akute Toxizität auf. Die in Tierversuchen gemeldeten LD50-Werte (tödliche Dosis, 50%) sind im Allgemeinen hoch und weisen auf eine große Sicherheitsspanne hin.

b.Chronische Toxizität und Karzinogenität

Langzeitstudien an Tieren haben keine signifikanten toxischen Wirkungen oder ein karzinogenes Potenzial im Zusammenhang mit dem Verzehr oder der Exposition gegenüber Kaliumalginat gezeigt.

c.Allergenität und Irritation

Kaliumalginat gilt im Allgemeinen als nicht allergen und nicht reizend, wenn es entsprechend den empfohlenen Richtlinien und Dosierungen verwendet wird. In seltenen Fällen kann es jedoch bei einigen Personen zu leichten Haut- oder Atemwegsreizungen kommen, wenn sie Kaliumalginat ausgesetzt sind.

5.Herstellung

Kaliumalginat wird in der Regel durch eine Reihe von chemischen und physikalischen Prozessen aus braunen Algen extrahiert.

Das Herstellungsverfahren umfasst die Extraktion von Alginsäure und die anschließende Neutralisierung mit Kaliumhydroxid, um das Kaliumsalz zu bilden.

A.Beschaffung von Rohstoffen

Kaliumalginat wird hauptsächlich aus verschiedenen Arten von Braunalgen (Phaeophyceae), wie Laminaria und Macrocystis, gewonnen.

Die Wahl der Algenart kann die chemischen und funktionellen Eigenschaften des Endprodukts Kaliumalginat beeinflussen.

Meeresalgen werden in der Regel aus natürlichen Quellen oder aus kultivierten Meeresalgenfarmen geerntet, je nach Verfügbarkeit und Nachhaltigkeit der Ressourcen.

B.Extraktion und Reinigung

a.Vorbehandlung

Die geernteten Algen werden in der Regel gewaschen, zerkleinert oder gemahlen, um die Oberfläche für den Extraktionsprozess zu vergrößern. Zur Verringerung des Feuchtigkeitsgehalts des Rohmaterials können Trocknungs- oder Dehydratisierungsschritte vorgesehen sein.

b.Auszug

Die Algen werden mit einer alkalischen Lösung, in der Regel Natriumcarbonat oder Natriumhydroxid, behandelt, um die Alginsäure aus dem Pflanzenmaterial zu extrahieren. Bei diesem Verfahren wird die Alginsäure aufgelöst und die unlöslichen Bestandteile, wie Zellulose und Proteine, abgetrennt.

c.Fällung und Klärung

Die extrahierte Alginsäure wird dann durch Zugabe einer Säure, z. B. Salzsäure oder Schwefelsäure, zu der Lösung ausgefällt. Die ausgefällte Alginsäure wird gesammelt und durch Filtration, Waschen und Trocknen weiter gereinigt.

d.Umwandlung in Kaliumalginat

Die gereinigte Alginsäure wird dann mit Kaliumhydroxid neutralisiert, um das Kaliumsalz der Alginsäure zu bilden, das als Kaliumalginat bekannt ist. Diese Umwandlung erfolgt in der Regel in einer wässrigen Lösung, wodurch die vollständige Umwandlung gewährleistet wird und ein Kaliumalginat-Niederschlag entsteht.

e.Endbearbeitung

Der Kaliumalginat-Niederschlag wird weiter gereinigt, getrocknet und zu einem feinen Pulver oder Granulat gemahlen. Je nach Verwendungszweck können weitere Verarbeitungsschritte wie Sieben, Mischen oder der Zusatz von Antibackmitteln erforderlich sein.