AT502270B1 - Verfahren zum modifizieren von steviosid durch austauschreaktionen - Google Patents

Description

2 AT 502 270 B1

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen.

Aus Pflanzen gewonnene Naturstoffe müssen häufig modifiziert werden, um vom menschlichen 5 Organismus ohne gesundheitliche Beeinträchtigungen aufgenommen werden zu können. So stellt beispielsweise Steviosid einen Süßstoff mit sehr hoher Süßkraft dar, der aus einem wäßrigen Extrakt der Blätter des Halbstrauches Stevia rebaudiana durch Fällen mit Alkohol und Ausfrieren gewonnen werden kann. Steviosid ist ein Glukosid aus Glukose, Sophorose und Steviol. Das im Steviosid enthaltene Steviol ist allerdings als mutagenes Phytohormon ein io Problemstoff, der für die Verwendung von Steviosid als Süßstoff inaktiviert oder entfernt werden muß. Herkömmliche Verfahren zum Abtrennen oder Austauschen von Molekülen und/oder Molekülgruppen eines Naturstoffes erfordern neben einem vergleichsweise hohen Energieeinsatz entsprechende chemische Mittel, die aufwendige Nachreinigungsverfahren nach sich ziehen. Außerdem sind die abgetrennten bzw. ausgetauschten Stoffe meist in ihrer Molekular-15 Struktur so verändert, daß sie nur als Abfall entsorgt werden können.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen so auszugestalten, daß Steviol-Moleküle in einfacher Art mit einem vergleichsweise geringen Energieaufwand von dem zu modifizierenden Steviosid abgetrennt 20 und durch geeignete Stoffe ersetzt werden kann, ohne aufwendige Nachreinigungsverfahren in Kauf nehmen zu müssen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß das zu modifizierende Steviosid als flüssige Phase eines Aerosols in einem Gasstrom aus Kohlendioxid unter Luftabschluß entlang 25 einer Förderstrecke erwärmt und nach dem Erreichen einer von der Bindungsenergie der auszutauschenden Steviol-Moleküle abhängigen Temperatur von der Förderstrecke abgezogen wird, um dem zu modifizierenden Steviosid eine für die Austauschreaktion erforderliche wäßrige Mannitlösung im Temperaturbereich des abgezogenen Steviosids unter Einstellung eines pH-Wertes zwischen 5,8 und 6,0 zuzuführen, und daß dann das Reaktionsgut der Förderstre-30 cke im Kreislauf zugeführt und zur Durchführung der Austauschreaktionen auf eine höhere Reaktionstemperatur erwärmt wird, bevor das Reaktionsgut von der Förderstrecke abgezogen und zur Gewinnung des modifizierten Steviosids kondensiert wird.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich Austauschreaktionen dann vorteilhaft 35 einleiten lassen, wenn die Bindung der auszutauschenden Moleküle bzw. Molekülgruppen soweit gebrochen wird, daß sich im wesentlichen ein Gleichgewichtszustand zwischen dem Zerfall und einer Erneuerung der Molekülbindungen ergibt. Werden daher die Austauschstoffe den Naturstoffen in diesem angeregten Zustand angeboten und danach die molekulare Bindung der auszutauschenden Stoffe weitergehend aufgebrochen, so können die zugeführten Aus-40 tauschstoffe rasch und wirkungsvoll an die zu modifizierenden Naturstoffe angebunden werden. Um diesen Umstand nützen zu können, wird das zu modifizierende Steviosid als flüssige Phase eines Aerosols in einem Gasstrom aus Kohlendioxid unter Luftabschluss entlang einer Förderstrecke erwärmt, bis eine von der jeweiligen Bindungsenergie der auszutauschenden Steviol-Moleküle abhängige Temperatur erreicht ist, die die angestrebte Teilaufhebung der Bindungs-45 stärke bedingt. Zum Zuführen der für die Austauschreaktion benötigten wäßrigen Mannitlösung wird der Gasstrom mit den Aerosolen aus der Förderstrecke abgezogen, damit für die nachfolgende Austauschreaktion vorteilhafte Reaktionsparameter sichergestellt werden können. Das Vorliegen des Steviosids in Aerosolform erleichtert nicht nur den Wärmeübergang, sondern stellt auch eine wesentliche Voraussetzung für eine innige Vermischung des Steviosids mit der so Mannitlösung dar, insbesondere wenn diese Mannitlösung ebenfalls als Aerosol zum Einsatz kommt. Nach einer entsprechenden Reaktionszeit kann das Reaktionsgut wieder von der Förderstrecke abgezogen und zur Gewinnung des modifizierten Steviosids kondensiert werden.

Als Fördergasstrom für die zu behandelnden Aerosole wird Kohlendioxid, ein die angestrebte 55 Austauschreaktion zumindest nicht beeinträchtigendes Gas eingesetzt, wobei zur Zerstäubung 3 AT 502 270 B1 der flüssigen Phase des zu modifizierenden Steviosids vorteilhaft ebenfalls Kohlendioxid verwendet werden kann.

Zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen nach dem erfindungsgemäßen 5 Verfahren kann von einer Vorrichtung mit einer beheizbaren Förderstrecke für den über eine Zuführeinrichtung einem Fördergasstrom aus Kohlendioxid aufgegebenen Steviosid, mit einem in einem Kreislauf an die Förderstrecke angebundenen Reaktor und mit einem an die Förderstrecke angeschlossenen Kondensator ausgegangen werden. Wird die Zuführeinrichtung mit einer Zerstäubungseinrichtung für eine Lösung des Steviosids versehen, wobei die Förderstre-io cke mehrere je für sich beheizbare Abschnitte aufweist, die je für sich wahlweise an den Reaktor oder den Kondensator anschließbar sind, so sind alle Voraussetzungen für einen an die jeweiligen Verfahrensbedingungen anpaßbaren Verfahrensablauf zur Modifikation des Steviosids durch eine Austauschreaktion erfüllt. Über die Zerstäubungseinrichtung kann das in flüssiger Phase vorgelegte Steviosid in Aerosolform in den Fördergasstrom eingebracht werden, 15 wobei die Erwärmung des Fördergasstromes und der Aerosole auf die jeweilige Behandlungstemperatur in den einzelnen je für sich beheizbaren Abschnitten der Förderstrecke feinfühlig durchgeführt werden kann. Der sowohl ab- als auch zulaufseitige Anschluß der einzelnen Abschnitte der Förderstrecke an den Reaktor erlaubt eine unterschiedliche, angepaßte Verfahrensführung, die für jeden Verfahrensschritt die jeweils erforderliche Verfahrenstemperatur 20 einzuhalten erlaubt, und zwar bei einem entsprechenden Erwärmungsverlauf, weil die einzelnen Abschnitte der Förderstrecke auch gruppenweise in Reihe vom Gasstrom durchströmt werden können. Für den Kondensator ist lediglich ein Anschluß an die Ablaufseite der einzelnen Förderstreckenabschnitte erforderlich. 25 Anhand der Zeichnung wird das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert, und zwar wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen gezeigt.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zum Modifizieren von 30 Steviosid eine Förderstrecke 1 für das zu behandelnde Steviosid auf, das mit Hilfe eines Gasstromes aus Kohlendioxid als Fördermittel durch die die Förderstrecke 1 bildende Rohrleitung gefördert wird. Die Förderstrecke 1 ist in mehrere Abschnitte 2 unterteilt, die je für sich beheizbar sind. Zu diesem Zweck ist jedem Abschnitt 2 eine elektrische Heizeinrichtung 3 zugeordnet, die den Rohrmantel der die Förderstrecke 1 bildenden Rohrleitung erwärmt, so daß der Rohr-35 mantel als Heizfläche zur Erwärmung des mit dem zu behandelnden Steviosid beladenen Gasstromes durch Wärmestrahlung dient. Die einzelnen Abschnitte 2 sind mit Ausnahme der zu-und ablaufseitigen Abschnitte, die miteinander durch eine Kreislaufleitung 4 verbunden sind, ab-und zulaufseitig mit einem Reaktor 5 verbunden, und zwar einerseits über Steuerorgane 6 zum Austragen eines Gutstromes aus dem jeweiligen Abschnitt 2 und anderseits über Steuerorgane 40 7 zum Einträgen eines Gutstromes, der somit jeweils in einem Kreislauf über den Reaktor 5 geführt werden kann. Die Förderung des Gutstromes entlang der Förderstrecke 1 über die Kreislaufleitung 4 erfolgt mittels eines Gebläses 8. Ein Gebläse 9 ist für die Gutstromförderung durch den Reaktor 5 vorgesehen. Die einzelnen Abschnitte 2 sind über die Steuerorgane 6, die wie die Steuerorgane 7 vorzugsweise als Steuerklappen ausgebildet sind, nicht nur an den 45 Reaktor 5, sondern auch an einen Kondensator 10 angeschlossen, wobei über eine Umschalteinrichtung 11 der aus den jeweiligen Abschnitten 2 abgezogene Gutstrom wahlweise dem Reaktor 5 oder dem Kondensator 10 zugeführt werden kann.

Das zu behandelnde Steviosid wird dem Fördergasstrom über eine Zuführeinrichtung 12 aufge-50 geben, die aus einer Zerstäubungseinrichtung 13 für das in flüssiger Phase vorliegende Steviosid besteht, das aus einem Vorlagebehälter 14 entnommen und vorzugsweise mit Hilfe des der Zerstäubungseinrichtung 13 über eine Druckleitung 15 zugeführten Fördergases zerstäubt wird, so daß das zu behandelnde Steviosid in Form eines Aerosols vorliegt. Die dem Fördergasstrom aufgegebenen Aerosole werden entlang der Förderstrecke erwärmt, wobei mit Hilfe der je für 55 sich beheizbaren Abschnitte 2 ein feinfühliges Erwärmen auf die jeweils vorgesehene Tempera-

Claims (3)

1. 4 AT 502 270 B1 tur sichergestellt werden kann. Um Austauschreaktionen vorteilhaft durchführen zu können, wird der Gutstrom zunächst auf eine Temperatur erwärmt, bei der die Bindung der auszutauschenden Moleküle bzw. Molekülgruppen soweit aufgebrochen wird, daß sich im wesentlichen ein Gleichgewichtszustand zwischen einem Aufbrechen und einem Wiederherstellen der Molekül-5 bindungen einstellt, was mit Hilfe einer Infrarot-Spektrometrie anhand der Konzentration der abgetrennten Moleküle bzw. Molekülgruppen überwacht werden kann. In diesem angeregten Zustand wird der Gutstrom dem Reaktor 5 zugeführt, in den die für die Austauschreaktion erforderlichen Stoffe zugeführt werden, wie dies durch den Zulauf 16 angedeutet ist. Da im Reaktor 5 vorteilhafte Voraussetzungen für die nachfolgende Austauschreaktion vorgegeben werden, io die bei höherer Reaktionstemperatur abläuft, verlagert sich das Reaktionsgleichgewicht im Sinne der angestrebten Austauschreaktion. Das Reaktionsgut wird zur Durchführung der Austauschreaktion im Kreislauf der Förderstrecke 1 zugeführt, und zwar in den jeweils hinsichtlich der Erwärmung des Reaktionsgutes geeigneten Abschnitt 2. Nach Ablauf der Austauschreaktion in einem ausreichenden Ausmaß, kontrolliert mittels Infrarot-Spektrometrie, wird das Reakti-15 onsgut neuerlich von der Förderstrecke 1 abgezogen, um entweder eine weitere Reaktionsstufe über den Reaktor 5 einzuleiten oder das Behandlungsgut dem Kondensator 10 zuzuleiten. Ausführungsbeispiel 20 Eine aufkonzentrierte, wäßrige Steviosidlösung wird mit Hilfe von Kohlendioxid in einem Fördergasstrom aus Kohlendioxid zerstäubt, so daß das zu behandelnde Steviosid in Aerosolform entlang der Förderstrecke 1 erwärmt werden kann, und zwar kontinuierlich auf 98°C, wobei ein pH-Wert zwischen 5,8 und 6,0 gegebenenfalls durch Zugabe von Gärungsessig eingestellt wird. Der auf diese Behandlungstemperatur erwärmte Gutstrom wird dann in den Reaktor 5 geleitet, 25 der auf die gleiche Temperatur aufgewärmt wurde. Im Reaktor 5 wird der Gutstrom mit einer wäßrigen Mannitlösung versetzt, die bei der gegebenen Behandlungstemperatur mit Hilfe von Kohlendioxid zerstäubt wird. Mannit, das einen für Menschen unbedenklichen Süßstoff darstellt und das im Steviosid enthaltene Steviol ersetzen soll, wird in einer Überschußmenge im Hinblick auf die Austauschreaktion zugeführt, wobei im Bedarfsfall der pH-Wert durch Zugabe von 30 Essigsäure zu korrigieren ist. Um für die Austauschreaktion vorteilhafte Bedingungen zu erhalten, kann der Reaktor 5 substratspezifische Katalysatoren enthalten, die für die angestrebte Steviosid-Modifikation aus Aluminium oder einer Kupferlegierung bestehen können. Nach der Zugabe der für die Austauschreaktion erforderlichen Stoffe über den Zulauf 16 wird das Reaktionsgut wieder der Förderstrecke 1 aufgegeben, deren Abschnitte 2 auf Temperaturwerte zwi-35 sehen 100 und 125°C aufgeheizt werden, um das Reaktionsgut auf die gewünschte Reaktionstemperatur zu erwärmen. Mit Hilfe einer Infrarot-Spektrometrie kann das Ausmaß der Austauschreaktion überwacht werden, so daß bei einem Umsetzungsgrad von wenigstens 60 %, der nach 20 bis 30 min erreicht wird, das Reaktionsgut abgezogen werden kann, um nach einer Neutralisierung mit Kalk eine Kondensierung im Kondensator 10 vorzunehmen. Die weitere 40 Auftrennung erfolgt durch konventionelle Umkristallisationsprozesse, wodurch das modifizierte Steviosid, das anstelle des Steviols Mannit aufweist, das nicht umgesetzte Steviosid, das freigesetzte Steviol und das überschüssige Mannit gewonnen wird. Das nicht umgesetzte Steviosid mit dem Mannit können in einer nächsten Charge wieder der beschriebenen Austauschreaktion unterworfen werden. Das Steviol kann unter anderem als Teilkomponente in Kosmetika einge-45 setzt werden. Patentansprüche: so 1. Verfahren zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen, dadurch gekennzeichnet, daß das zu modifizierende Steviosid als flüssige Phase eines Aerosols in einem Gasstrom aus Kohlendioxid unter Luftabschluß entlang einer Förderstrecke erwärmt und nach dem Erreichen einer von der Bindungsenergie der auszutauschenden Steviol-Moleküle abhängigen Temperatur von der Förderstrecke abgezogen wird, um dem zu mo-55 difizierenden Steviosid eine für die Austauschreaktion erforderliche wäßrige Mannitlösung 5 AT 502 270 B1 im Temperaturbereich des abgezogenen Steviosids unter Einstellung eines pH-Wertes zwischen 5,8 und 6,0 zuzuführen, und daß dann das Reaktionsgut der Förderstrecke im Kreislauf zugeführt und zur Durchführung der Austauschreaktionen auf eine höhere Reaktionstemperatur erwärmt wird, bevor das Reaktionsgut von der Förderstrecke abgezogen 5 und zur Gewinnung des modifizierten Steviosids kondensiert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung des zu modifizierenden Steviosids mit Hilfe von Kohlendioxid zu einem Aerosol zerstäubt und mit dem Kohlendioxid als Fördergas entlang der Förderstrecke gefördert wird. 10
3. 3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Modifizieren von Steviosid durch Austauschreaktionen mit einer beheizbaren Förderstrecke für den über eine Zuführeinrichtung einem Fördergasstrom aus Kohlendioxid aufgegebenen Steviosid, mit einem in einem Kreislauf an die Förderstrecke angebundenen Reaktor und mit einem an die Förderstrecke 15 angeschlossenen Kondensator, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführeinrichtung (12) eine Zerstäubungseinrichtung (13) für eine Lösung des Steviosids enthält und daß die Förderstrecke (1) mehrere je für sich beheizbare Abschnitte (3) aufweist, die je für sich wahlweise an den Reaktor (5) oder den Kondensator (10) anschließbar sind. 20 Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 25 30 35 40 45 50 55