CN1119941C - 将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种将食物中的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法。该方法包括下述步骤：(i)机械地混合浆液，该浆液含有：(a)100重量份含肌醇六磷酸盐的食物，(b)60-1000重量份的溶剂混合物，其含有水和水不溶性的、沸点为20-100℃的有机溶剂，水不溶性有机溶剂占溶剂混合物的20-85wt%，和(c)肌醇六磷酸酶；及(ii)干燥食物以除去有机溶剂。该方法的优点在于以经济的方法获得肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的高的转化率。
Description
本发明涉及将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法。特别涉及这样一种方法，该方法可附加于现有的用于从油籽中提取油的方法。
已发现肌醇六磷酸盐[myoinositol 1，2，3，4，5，6-hexakis(磷酸二氢盐)]可改变在所有植物中的作为磷的主要储存形式的质量。在植物中60-80％的磷以肌醇六磷酸盐形式存在。经常发现植物中的肌醇六磷酸盐以与阳离子如钙离子、镁离子或钾离子复合的形式存在。生成的复合物有时叫作植酸钙镁。此处所用的术语植酸钙镁明确地包含这种植酸钙镁复合物。
肌醇六磷酸盐难以被单腹动物消化。结果是，即使单腹动物进食富含肌醇六磷酸盐的食物，仍然会受到磷缺乏所引起的疾病的困扰。这是因为肌醇六磷酸盐是不可生物利用的，被单腹动物食用的可食用肌醇六磷酸盐通过其肠胃道与排泄物一起排出体外。在牲畜密集的地区，这些排泄特受到特殊的关注，因为过量的富磷肥破坏环境。
与肌醇六磷酸盐存在于食物中相关的进一步的问题是，它与多价的金属阳离子形成复合物。这会妨碍动物和人类对这些阳离子的生物利用性。进而导致金属缺乏性紊乱或骨骼矿化不完全，这种情况特别多发于素食者、老年人和儿童。
肌醇六磷酸盐也有缺点，它可抑制在肠胃道内的包括胃蛋白酶和胰岛素在内的各种酶的生成。它也与蛋白质形成复合物令其难以消化。由于这些原因，食物中肌醇六磷酸盐的存在实际上是不利于营养的，因为它与蛋白质复合而降低其消化率。
一种已提出的可解决上述问题的方法是将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。在无机磷酸盐中的磷对于单腹动物是可生物利用的。这减少了排泄物中的磷含量，释放先前被肌醇六磷酸盐复合的阳离子，提高了蛋白质的消化率，并防止肌醇六磷酸盐抑制肠胃的酶。已知该转化可通过将肌醇六磷酸盐用一种叫作肌醇六磷酸酶的磷酸酶在活体外或在活体内进行处理来实现。该转化的反应产品是肌醇和正磷酸盐，在本说明书中，后者被称作无机磷酸。
在活体内转化是通过将肌醇六磷酸酶添加入含有肌醇六磷酸盐的食物中实现的。结果是，肌醇六磷酸盐和肌醇六磷酸酶在肠胃道结合，至少在理论上，肌醇六磷酸酶可在肠胃道内将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。然而，已证实只有部分有效结果产生，只有不超过55％的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸，并且通常只有更少的比例。这种不完全转化主要是肠胃道环境造成的，与最适宜肌醇六磷酸盐活性的那些完全不同。温度、pH值、湿度和消化物的无机含量都是导致肌醇六磷酸酶与消化物通过肠胃道时只能在肠胃道中部分有效转化的因素。
已发现比上述在活体内转化更有效的第二种解决方法，是将富含肌醇六磷酸盐的食物在活体外与肌醇六磷酸酶水解。因为在活体外的反应条件能被设定得适合于导致那些肌醇六磷酸酶具有最佳活性。EP-A-0 380 343描述了此过程的一个实施例，其中存在于大豆蛋白质离析物的肌醇六磷酸盐被转化成无机磷酸盐。此转化是在水溶液中使用一种细菌的肌醇六磷酸酶、pH值为2-6、温度为20-60℃的条件下实现的。
但是，已发现即使是这些处理方法也仍不令人满意。首先，从这些处理方法中生成的浆液必须进行干燥处理，以除去其原本含有的相当多的水份。虽然这种干燥处理只是相对简单的生产步骤，但无论如何，实现除去原来所使用的大量的水也是相对昂贵的。这样大的量首先需要提供肌醇六磷酸酶所需的含水环境以使其有催化的活性，其次要顺利地将浆液混合，否则浆液将会形成粘块。这种干燥问题的结果就是，在活体外的方法限制了商业上的成功。已发现的在这些在活体外方法中将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的第二个问题是，除非使用浓度极高的肌醇六磷酸酶(相对昂贵)，否则该方法很难实现。本发明的发明者们已发现这是由于肌醇六磷酸盐以两种形式存在：一是对肌醇六磷酸酶敏感的形式存在，一是以与矿物结合的耐肌醇六磷酸酶的形式存在。已发现这种耐肌醇六磷酸酶形式在与碱土族金属阳离子如Mg2+和Ca2+复合时会成为肌醇六磷酸盐。
因此，本发明的第一个目的是提供一种经济可行的将食物中的肌醇六磷酸盐在活体外转化为无机磷酸盐的方法。第二个目的是提供这样一种经济可行的方法，其中约50mol％或以上的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。第三个目的是将这种方法与传统的从油籽中提取油的方法结合起来，从而提供作为一种副产品的、适于广泛掺入动物饲料或用于食物中的、富含无机磷酸盐的食物。
根据第一方面，本发明提供的将食物中的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法包括：(i)机械地混合浆液，其含有(a)100重量份含肌醇六磷酸盐的食物，(b)60-1000重量份的溶剂混合物，其含有水和水不溶性的、沸点为20-100℃的有机溶剂，水不溶性有机溶剂占溶剂混合物的20-85wt％，和(c)肌醇六磷酸酶；(ii)干燥食物以除去有机溶剂。
在上述的方法中，优选浆液含有150-750重量份的溶剂混合物，更优选为250-600重量份，最优选为325-475重量份。
与原先的在活体外方法相比，上述的将存在于食物中的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法降低了成本，并提高了产量。肌醇六磷酸酶需要有效量的溶剂同时存在，以有效地催化肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。虽然在现有技术中采用的这种溶剂只是水，但本发明的发明者们惊奇地发现，这些水中的相当一部分可以用一种不溶性有机溶剂代替而不会明显地影响肌醇六磷酸酶对肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的催化作用。使用的溶剂体系包括20-85wt％、更优选为40-75wt％、最优选为50-70wt％水不溶性有机溶剂，该溶剂体系能够有利于肌醇六磷酸盐活性，同时具有的优点还在于，干燥由肌醇六磷酸酶催化的转化后的浆液成为水份含量为可接受的小于20wt％的过程比干燥完全由水形成的溶剂得到的等量的浆液要便宜。这是因为用于本发明的溶剂混合物需要较少的能量消耗以将其从浆液中蒸发。
已进行机械混合的浆液优选还含有用于碱土族金属阳离子的螯合剂。这种螯合剂与肌醇六磷酸盐竞争以与无机阳离子、特别是诸如Ca2+和Mg2+的碱金属阳离子结合。由螯合剂与无机阳离子的结合的结果是将耐肌醇六磷酸酶的肌醇六磷酸盐转化为对肌醇六磷酸酶敏感的肌醇六磷酸盐，然后这种对肌醇六磷酸酶敏感的肌醇六磷酸盐能够通过同时存在的肌醇六磷酸酶转化为无机磷酸盐。
根据本发明可处理的食物可以是任何含肌醇六磷酸盐的食物。这些食物可以是那些完全来自于植物的。根据本发明的特别优选方面，食物是一种通过下述方法获得的：将压碎的油籽与有机溶剂混合以从油籽中提取油，然后将掺有溶剂的压碎的油籽从含油溶剂中分离出来。这些是用于从如大豆、葵花籽、油菜籽、卡诺拉果(canola)、稻、稻麸、玉米、棉籽、花生、红花籽、椰子、棕榈果、胡桃、榛子或任何它们经过加工的生成物如脱脂大豆等中提取油的一般步骤。其它可进行加工的肌醇六磷酸盐的来源包括谷物，如小麦、大麦、黑小麦、黑麦、高粱或燕麦。
当从上述油籽中提取油时，10-80wt％(更优选35-60wt％)的压碎的油籽与90-20wt％(更优选65-40wt％)的有机溶剂混合，虽然任何其它的沸点为20-100℃的水不溶性有机溶剂均可使用，但一般为正-己烷。在充分地混合后，油从压碎的油籽中迁进入己烷中，随后富含油的己烷从残留有保留的己烷溶剂的压碎的油籽中分离出来。掺杂有溶剂的压碎的油籽典型地含有15-65wt％的溶剂和85-35wt％的压碎的油籽，更优选含有25-50wt％的溶剂和75-50wt％的压碎的油籽，最优选含有35-45wt％的溶剂和65-55wt％的压碎的油籽。在本技术领域，掺杂有溶剂的油籽有时指代为榨渣或白片。
在具代表性的从油籽中提取油的现有技术中，掺杂有溶剂的压碎的油籽要在此阶段进行干燥以除去全部的有机溶剂。在本发明中并非是将这些掺杂有溶剂的压碎的油籽然后进行处理以将存在的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。特别地，将100重量份(不含溶剂)掺杂有溶剂的压碎的油籽、10-10,000单位的肌醇六磷酸酶/千克压碎的油籽、30-350重量份(更优选100-250重量份，最优选120-180重量份)的水、和可选的附加的沸点为20-100℃的水不溶性有机溶剂(与用于提取油步骤的有机溶剂相同或不同均可，从而有机溶剂的总量为30-850重量份，更优选为125-500重量份，最优选为200-300重量份)进行混合以形成浆液。将该浆液进行机械混合(如使用旋转混合器)，在混合过程中，肌醇六磷酸酶将存在于压碎的油籽中的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。
上述浆液还包括0.05-10重量份的螯合剂。如前所述，该螯合剂与肌醇六磷酸盐竞争以与无机阳离子结合，从而将耐肌醇六磷酸酶的肌醇六磷酸盐转化为对肌醇六磷酸酶敏感的肌醇六磷酸盐。此螯合剂可以是能与碱金属族阳离子螯合的任何原料。这些螯合剂的代表是二-、三-、或四-羧酸，如抗坏血酸、苯二酸、柠檬酸或乙二胺四乙酸。
在此步骤中，更优选100重量份(不含溶剂)的油籽与0.5-5重量份的螯合剂和每千克压碎的油籽100-1,000单位的肌醇六磷酸盐混合。
浆液优选在混合器中反应，在其中通过肌醇六磷酸酶的5分钟-2小时，更优选15-90分钟，最优选30-70分钟的催化作用、在优选10-70℃，更优选在20-65℃，最优选在40-60℃下使肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。浆液的pH优选为2-8，更优选为3-6，最优选为4.5-5.5。浆液的酸度取决于所含有酸性螯合剂，虽然诸如HCl或H3PO4等无机酸可选择性地或额外地加入以调整浆液的pH值以使其具有最佳的肌醇六磷酸酶活性。
任何沸点为20-100℃的水不溶性有机溶剂均可使用。具有更高沸点的溶剂并不好，因为它们不易于从浆液中蒸发。当然，所选用的有机溶剂的沸点需高于肌醇六磷酸盐能够转化为无机磷酸盐的温度。具有理想沸点的代表性有机溶剂是具有至少5个碳原子的脂肪族溶剂，优选的溶剂是戊烷、己烷、庚烷、它们的结构异构体、和异辛烷。
在本发明的优选方面，浆液还包含一种或一种以上的谷物、谷物粉、脂肪、维生素、氨基酸或一种或种以上的酶。含有肌醇六磷酸盐的谷物和谷物粉在用肌醇六磷酸酶进行处理的过程中也对其转化为无机磷酸盐有利。含有的一种或一种以上的酶如蛋白酶、羧肽酶、纤维素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、淀粉酶、α-半乳糖苷酶、果胶酶、β-葡聚糖酶或酯酶也是较好的。这是因为这些酶可以帮助肌醇六磷酸盐从植物体中被释放出来，并使它们对肌醇六磷酸酶的作用更敏感和/或作用于其它食物组份以改进它们的消化性。
在最后的步骤，对食物进行干燥以除去至少有机溶剂和更好是至少一部份含有溶剂。这可通过使用如加热或喷雾干燥来令食物脱溶剂来实现。获得的经过干燥的食物优选含有的有机溶剂小于0.1wt％，更优选小于0.04wt％，水份含量小于20wt％，更优选小于15wt％。
然后将获得的富含无机磷酸的食物通过添加一种或一种以上所需的营养添加原料混合入动物饲料或人类食物中。
与原食物相比，最后获得的富含无机磷酸盐的食物对于人类和所有种类的经济动物具有实际意义的更大价值。尤其是，这最后获得的富磷饲料可加入经济动物如鸡、火鸡、猪、牛、鱼和羊的饲料中。因为获得的饲料中含有相对低或微不足道的肌醇六磷酸盐含量，它们在提高所混合的食物或饲料的矿物质和蛋白质生物利用性方面也具有益处。特别是，与螯合剂结合的阳离子的作为生成的盐类是水溶性的。并且在食物中的蛋白质被改善为肌醇六磷酸盐的生物利用性也不再需要在蛋白质-肌醇六磷酸盐复合物中包埋它们。
本用于本发明的肌醇六磷酸酶是由各种微生物制成的，如曲霉属，根霉属菌和一些酵母。根霉属菌是由各种种植物种子如麦子在发酵过程中制成的。优选的肌醇六磷酸酶包括从德国BASF购得的Natuphos，从Novo Nordisk购得的肌醇六磷酸酶Novo和从Alko Ltd.购得的FinaseS。
所需的肌醇六磷酸酶的量取决于使用的制备方法、食物中的肌醇六磷酸盐含量和反应的条件。本领域的技术人员可轻易地估算出适宜的剂量。可使用1％肌醇六磷酸钠(从Sigma St.Louis，Missouri购得)作为基质以决定肌醇六磷酸酶的活性。酶的反应在pH值为5.5、40℃下进行。肌醇六磷酸酶从肌醇六磷酸盐中释放出磷酸基团。决定所释放的无机磷酸基于磷钼酸酶复合物的减少所形成的颜色。
在加速干燥浆液的同时，有机溶剂与水同时存在在大致减少浆液的过份粘度方面也有优势。已发现，在不含有机溶剂的情况下，存在于食物中的水溶性蛋白质导致浆液变得很粘，从而使在不另外加入过量的水的情况下无法进行所需的机械混合。
通过结合下述实施例对本发明进行进一步的说明。将描述如何将本发明的方法与用于从油菜籽中提取油的代表性方法相结合。应注意到此实施例在任何方面都不是对本发明范围的限制。
实施例-加工油菜籽
油菜籽在其外壳内含有微小的油体，它基本被商业化地种植以生产油菜籽油。收获的油菜籽以已知方法进行清洁、干燥和预处理。然后将油菜籽辊压成片以打开其外壳。这可同将油菜籽通过一对以不同速度运行的光滑的轧辊的辊隙来实现。这些辊的行动将油籽压成片，同时破裂一些油籽外壳。
将这些片置于约80℃下进行热处理约1小时，以破裂未打开的油籽外壳。此步骤也可帮助改进最终食物产品中蛋白质的生物利用性。达到预处理要求的含有约42wt％的油和约8wt％的水分的片被加入一组低压连续螺旋压机中，以接受调整好的适度的压力。此步骤可从油菜籽中榨出约一半的可提取的油菜籽油。
将从螺旋压机中处理过的饼状物输送入旋转式溶剂浸出器，在浸出器中用市售的正-己烷榨取卡诺拉果油。通过一个蒸汽封闭单元将饼状物引入溶剂浸出器，其中饼状物沉淀进篮内。由于重力的作用通过饼床正-己烷被渗滤从而使其分散且浸入饼状碎片中去。油菜籽油迁移进有机溶剂，含油的有机溶剂然后流出通过饼状物承载筛，在篮子的顶部分离。
正-己烷的蒸汽压力将溶剂浸出器的温度限制在约55℃。更高的温度会不适当地增加必须进行回收的溶剂蒸汽的量。此外，如果饼状物的温度达到或接近溶剂的沸点，蒸汽相就会出现在饼状碎片与溶剂的分界面，这会明显地阻碍了液体分散。按此方法，浸出器产出含卡诺拉果油和正-己烷的基本液相，和掺杂有正-己烷的提取过油的油菜籽的“固”相。
在现有的油菜籽加工过程中，下一个步骤应是对掺杂有正-己烷的油菜籽进行除溶剂。但是，根据本发明的方法，接下来是对油菜籽进行肌醇六磷酸酶处理，以在油菜籽内将肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐。
以掺杂有0.3L的正-己烷形式存在的含全部磷酸盐的0.38mol的1kg压碎的提取过油的油菜籽形成浆液，该浆液还含有750单位的Natuphos，从德国BASF购得的肌醇六磷酸酶，1L水和1.1L附加的正-己烷。存在于提取过油的油菜籽中的肌醇六磷酸盐的量可通过由(Tangkongchitr等人)在Cereal Chem.，58，pp 226-228方法检测。将得到的浆液密封在树脂玻璃容器中保持在50℃，用水浴进行保养并使用钩型混合系统连续混合1小时。在保养的结尾，得到的食物(样品1)含有0.17mol的无机磷酸盐，等同于起始肌醇六磷酸盐的45mol％的转化率。已知有若干种方法可用来检测无机磷酸盐，如Pohs and Guthrie法(Ind.Eng.Chem.Anal.Ed.18，pp 184-186)。通过对比，除了略去肌醇六磷酸酶外，对1kg压碎的油菜籽的进行处理的方法相同。得到的食物(样品2)中含有0.019mol的无机磷酸盐，等同于基于提取过油的油菜籽的起始肌醇六磷酸盐含量的仅5mol％的转化率。
按样品1的步骤处理另一批1kg压碎的油菜籽，所不同的是将柠檬酸作为螯合剂加入浆液以使柠檬酸在浆液中的最终浓度为0.5wt％。柠檬酸将混合物的pH值降低至5.0。此处理造成食物(样品3)含0.32mol的无机磷酸盐，等同于起始肌醇六磷酸盐的85mol％转化率。样品3表现出用有机溶剂和螯合剂相结合进行处理的好处。通过使用可选择的诸如EDTA或苯二酸等螯合剂可达到同样高的肌醇六磷酸盐转化率。
然后将得到样品1和3的富含无机磷酸盐的食物进行除溶剂烘烤。除溶剂是通过蒸发从食物中以除去正-己烷和一定比例的水，被蒸发的正-己烷循环回至油提取步骤。得到的干燥食物然后可直接用作动物饲料或人类食物的高蛋白质、高无机磷酸盐的添加品。
Claims (15)
1.将食物中的肌醇六磷酸盐转化为无机磷酸盐的方法，包括：
(i)机械地混合浆液，所述的混合在pH为2.0～8.0下进行，该浆液含有：
(a)100重量份含肌醇六磷酸盐的食物，
(b)60-1000重量份的溶剂混合物，其含有水和水不溶性的、沸点为20-100℃的有机溶剂，水不溶性有机溶剂占溶剂混合物的20-85wt％，和
(c)肌醇六磷酸酶；及
(ii)干燥食物以除去有机溶剂。
2.根据权利要求1的方法，其中水不溶性有机溶剂占溶剂混合物的40-75wt％。
3.根据权利要求1或2的方法，其中浆液还包含用于碱土族金属阳离子的螯合剂。
4.根据任一前述权利要求的方法，其中包含在浆液中的含肌醇六磷酸盐的食物是用如下方法获得的：将压碎的油籽与水不溶性有机溶剂混合以从油籽中提取油，然后将掺杂有溶剂的压碎的油籽从含油溶剂中分离出来。
5.根据权利要求4的方法，其中10-80wt％压碎的油籽与90-20wt％的有机溶剂混合。
6.根据权利要求4或5的方法，其中掺杂有溶剂的压碎的油籽含有15-65wt％的溶剂和85-35wt％压碎的油籽。
7.根据权利要求4-6中任一权利要求的方法，其中浆液的形成是通过混合：
100重量份掺杂有溶剂的压碎的油籽，所述的重量份不含溶剂；
10-10,000单位的肌醇六磷酸酶/千克压碎的油籽；
30-350重量份的水；
可选的附加水不溶性有机溶剂，从而使浆液中有机溶剂的总量为30-850重量份。
8.根据权利要求7的方法，其中浆液还含有0.05-10重量份的碱土族金属阳离子的螯合剂。
9.根据权利要求3或8的方法，其中螯合剂是抗坏血酸、苯二酸、柠檬酸或乙二胺四乙酸。
10.根据权利要求4-9中任一权利要求的方法，其中油籽是大豆、葵花籽、油菜籽、卡诺拉果、稻、稻麸、玉米、棉籽、花生、红花籽、椰子、棕榈果、胡桃或榛子。
11.根据任一前述权利要求的方法，其中混合步骤(i)是在混合器中在10-70℃的温度、pH值为2.0-8.0进行5分钟-2小时来实现的。
12.根据任一前述权利要求的方法，其中有机溶剂是戊烷、己烷或庚烷。
13.根据任一前述权利要求的方法，其中浆液还包括一种或一种以上的谷物、谷物粉、脂肪、维生素、氨基酸或一种或一种以上的酶。
14.根据权利要求13的方法，其中一种或一种以上的酶是选自蛋白酶、羧肽酶、纤维素酶、木聚糖酶、甘露聚糖酶、淀粉酶、α-半乳糖苷酶、果胶酶、β-葡聚糖酶或酯酶。
15.用于制造动物饲料或人类食物的方法，包括根据任一前述权利要求的将食物中的肌醇六磷酸盐转化成无机磷酸盐，还包括将得到的富含无机磷酸盐的食物与一种或一种以上附加营养品混合。
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