CZ2002948A3

CZ2002948A3 - Způsob současného čištění a separace pektinu a pektických cukrů či oligomerů z kaše z cukrové řepy

Info

Publication number: CZ2002948A3
Application number: CZ2002948A
Authority: CZ
Inventors: Tapio Juhani Antila; Christina Lindqvist; Hannu Koivikko; Matti Tylli; Pertti Walliander; Timo Väkeväinen; Juho Jumppanen; Nina Mäyrä
Original assignee: Danisco Sugar Oy
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2002-09-11
Also published as: ATE448848T1; HUP0202872A2; PL196961B1; US6663717B2; HUP0202872A3; HUP0203963A2; EP1218079B8; CA2385109A1; AU7291000A; EP1227866A1; CZ295265B6; US20020189606A1; US20020150652A1; CA2385109C; WO2001021272A1; EP1218079B1; PL196962B1; AU7290900A; CZ295865B6; HUP0203963A3

Description

Způsob současného čištění a separace pektinu a pektických cukrů či oligomerů z kaše z cukrové řepy

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu současného čištění a separace pektinu a pektických cukrů či oligomerů z kaše z cukrové řepy. Vynález se zejména týká oddělování pektinu a pektinových cukrů či oligomerů a současně soli z kaše z cukrové řepy obsahující pektin použitím způsobů separace založených na molekulové hmotnosti, jako je ultrafiltrace a chromatografická frakcionace.

Dosavadní stav techniky

Pektin je běžně používaná přísada v potravinářském průmyslu. Používá se například jako stabilizační činidlo, zahušťovadlo a gelujici činidlo například v džemech a jiných ovocných výrobcích, jakož i ve výrobcích z kyselého mléka, jako jsou jogurty.

K separaci pektinu se rostlinný materiál používaný jako výchozí jako je kaše z formy použitím materiál, rozpustné hydrolýzy cukrové řepy, nejprve převede do například kyselé nebo zásadité Během hydrolýzy se do roztoku zavedou soli, které jsou obvykle nežádoucí v konečném pektinovém výrobku a proto by se měly odstranit.

Pektiny jsou obvykle vyráběny z jablek, kaše z cukrové řepy nebo citrusové kůry tím, že se nejprve extrahují rozpustné polymery kyselinou, načež se získaný roztok filtruje a koncentruje a pektiny se vysráží alkoholem nebo kovovými solemi při vhodném pH. Volné cukry zůstávají v roztoku alkoholu ve vodě. Protože množství rozpouštědla, použitého u tohoto způsobu, je veliké, obsah cukru v roztoku alkoholu ve vodě je mimořádně nízký.

- 2 Navíc k pektinům obsahuje kaše z cukrové řepy cenné cukrové složky, jako je L-arabinóza. Podle dosud známých způsobů bylo současné děleni pektinových a cukrových složek obtížné, například z toho důvodu, že když se oddělují cukry, pektin má tendenci se ničit. Na druhé straně u dřívějších způsobů na separaci pektinu se normálně nezískávají cukrové či oligomerní složky.

Předchozí způsob výroby pektinu z hydrolyzátu kaše z cukrové řepy je popsán v SE-B 453511. Tento způsob používá aniontovou výměnu na čištění hydrolyzátu cukrové řepy. Způsob vede k nečistému roztoku pektinu, nečištěnému pektinu.

Patentový spis JP 56 011 903 popisuje použití ultrafiltrace k oddělení surového pektinu z rostlinného materiálu. Výchozí mteriál se nejprve upravuje kyselinou chlorovodíkovou pří pH 2,5 až 3,0 a pektin se extrahuje při teplotě 85 °C. Získaný výrobek se čistí filtrací a filtrát se ultrafiltruje s použitím membrány mající uřezávající velikost 6000 až 20 000 Da.

Patentový spis US 5 008 254 popisuje způsob ve kterém se po krátkou dobu (6 s) provádí rychlá kyselá hydrolýza při vysoké teplotě (120 °C), aby se z kaše z cukrové řepy získala směs pektinu s cukrem. Hydrolyzovaná směs obsahující cukry a nějaké pektinové sloučeniny se koncentruje ultrafiltrací (uřezávací velikost je 30 000 Da) . Tato rychlá kyselá hydrolýza je technicky mimořádně složitá a nerozpustná vlákna, která zůstávají když se používá kyselá hydrolýza, mají tendenci dezintegrovat do koloidní hmoty, která se dá obtížně filtrovat.

Je tedy známo koncentrovat hydrolyzáty cukrové řepy ultrafiltrací, ale tyto způsoby nedávají vyčištěné pektiny.

Patentový spis DE 4 313 549 popisuje způsob přípravy extraktu z cukrové řepy obsahujícího pektin. U tohoto způsobu se surovina • ·

- 3 hydrolyzuje roztokem kyseliny citrónové při teplotě, která se mění v rozmezí mezi 50 °C a teplotou bodu varu roztoku.

Patentový spis US 4 816 078 popisuje získávání L-arabinózy z kaše z cukrové řepy nebo jiného rostlinného materiálu zásaditou hydrolýzou, přičemž L-arabinóza se následně čistí chromatograficky. Patentový spis US 5 250 306 popisuje získávání arabanu z kaše z cukrové řepy tím, že se nejprve použije zásaditá hydrolýza a potom ultrafiltrace. V zásadité hydrolýze podle této publikace se pektin rozruší a dají se získávat jenom cukry.

WO 99/10542 popisuje získávání L-arabinózy z kaše z cukrové řepy s použitím chromatografické separace s kationtoměničem v jednomocné formě. Tento způsob zahrnuje jako předchozí krok extrakci kaše z cukrové řepy roztokem silné alkálie. Použití silné alkálie rozruší pektinové sloučeniny, takže se získají jenom cukry.

Využití enzymů k odbourání vysokomolekulárních citrusových pektinů je v oboru známo. Evropská publikace 868 854 popisuje způsob hydrolyzování citrusových pektinů tak, že se molekulová hmotnost sníží na rozsah od 20 000 do 80 000 Da. Patentový spis US 5 472 952 popisuje způsob odbourávání citrusových pektinů na molekulovou hmotnost v rozsahu od 3300 do 500 000, aby se získal rozpustný vláknitý výrobek. Patentový spis US 5 952 308 popisuje způsob úpravy jablečného a citrusového pektinu pektinázovými enzymy. Úprava enzymy se použije na oddělené vysokomolekulární pektiny. Působení pektinů se neprovádí jako část způsobu separace či čištění, aby se zlepšil způsob a koncový výrobek vycházeje z kaše z cukrové řepy.

Definice, které se týkají vynálezu:

V souvislosti s předmětným vynálezem jsou pektiny polysacharidové sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností, složené

- 4 z řetězců zčásti metylované polygalakturonové kyseliny s obsahem polygalakturonové kyseliny nejméně 65 %. Pektin také obsahuje arabanové, galaktanové a xylózové boční řetězce připojené k řetězci polygalakturonové kyseliny. Skupiny galakturonové kyseliny pektinu z cukrové řepy jsou dále zčásti acetylovány.

Ve spojitosti s předmětným vynálezem jsou pektické cukry či oligomery polysacharidy, oligosacharidy a mono a disacharidy jako jsou nízkomolekulámí arabany, arabinooligomery, arabinóza, galaktany, galaktóza, galaktooligomery, rhamnóza a fukóza, které jsou přítomny spolu s pektinem v kaši z cukrové řepy po extrakci cukru. Kaše z cukrové řepy na zpracování může také obsahovat malá množství sacharózy, glukózy a fruktózy.

Ve spojení s předmětným vynálezem je kaše z cukrové řepy taková kaše, která se získává ve spojitosti s výrobou cukru a která zůstává po extrakci cukru a ze které byly ve značném rozsahu vyextrahovány cukry.

Ve spojení s předmětným vynálezem je hydrolyzátem kaše z cukrové řepy hydrolyzovaná kaše z cukrové řepy, který obsahuje pektiny a pektické cukry či oligomery jakož i soli, které mají být separovány a který je ve formě roztoku.

Ve spojitosti s předmětným vynálezem soli znamenají nízkomolekulární ionizované látky, zpravidla anorganické nízkomolekulární ionizované látky, jako jsou sodné soli, draselné soli a vápenaté soli. Zpravidla jsou soli sodné, draselné anebo vápenaté soli anorganických kyselin, jako je kyselina chlorovodíková, kyselina sírová anebo kyselina dusičná. Jsou zpravidla v solné podobě v neutralizovném roztoku a v iontové formě v kyselém roztoku. Soli hlavně pocházejí z předúpravy, jako se kyselá nebo zásaditá hydrolýza a potenciální neutralizace kaše z cukrové řepy.

• ·

- 5 4 4

Podstata vynálezu

Způsob podle vynálezu byl úspěšně použit na saparaci či čištění pektinu a pektických cukrů či oligomerů na separované výrobky, zatímco soli byly současně odstraněny z pektinů a pektických cukrů či oligomerů. Způsob ve svém celku se provádí ve vodném roztoku. Umožňuje to vyhnout se problémům s hořlavostí a jedovatostí spojených s použitím organických rozpouštědel, jako je isopropanol a etanol.

Protože se celý způsob provádí ve vodném roztoku, jsou při něm pektinové sloučeniny přítomny v rozpustné formě. Znamená to velkou výhodu ve srovnání s předchozími způsoby tam, kde je pektin nejprve oddělen vysrážením alkoholem nebo kovem a později znovu rozpuštěn, aby se provedly potřebné úpravy.

Způsob separace používaný u předmětného vynálezu je založen na frakcionaci molekulové hmotnosti, tj. frakclonace je provedena na základě různých molekulových hmotností sloučenin, které se mají oddělovat.

Pektin a pektické cukrové či oligomerní výrobky získané způsobem podle vynálezu se dají použít v potravinách a krmivěch jako takové. Výrobky také mohou být usušeny, např. rozprašováním, nebo upraveny enzymatickými nebo chemickými způsoby, aby se získaly jiné výrobky. Je možné upravit koncový výrobek nastavením způsobu separace či čištění tak, aby se vyráběly pektiny na míru s požadovanou molekulovou hmotností. Vyrobené pektiny máji velkou čistotu, která poskytuje čisté, bezbarvé vodné roztoky. Vyrobené pektinové výrobky mohou být použity jako přísady do potravin, zahušťovadla, emulgátory, rozpustné vláknité výrobky a látky na úpravu struktury. Získané pektické cukrové výrobky, jako jsou L-arabinózové výrobky, se používají například jako speciální sladidla.

• 4 44

4 4 4 4

4444

4 · 4 · 4 4 4 • 4 4 4

44*4

- β Cílů vynálezu se dosahuje způsobem vyznačeným tím, co je řečené v nezávislých nárocích. Zvláště výhodná provedení podle vynálezu jsou uvedena v závislých nárocích.

Příklady provedení vynálezu

V následujícím popisu vynálezu jsou obsah pektinu, obsah soli a koncentrace pektických cukrů či oligomerů stanoveny jako vypočtené z obsahu sušiny roztoků obsahujících pektin a z roztoků obsahujících pektícký cukr či oligomery.

Vynález se týká způsobu simultánního čištění a oddělování pektinu a pektických cukrů či oligomerů z kaše z cukrové řepy s použitím vícestupňového způsobu ve vodném roztoku. Způsob zahrnuje následující kroky:

a) hydrolýzu kaše z cukrové řepy k získání hydrolyzátu kaše z cukrové řepy,

b) oddělování pevných látek z hydrolyzátu kaše z cukrové řepy k získání vodného roztoku hydrolyzátu kaše z cukrové řepy,

c) frakcionaci a odsolování vodného roztoku hydrolyzátu kaše z cukrové řepy s použitím separačního způsobu založeného na molekulové hmotnosti k získání odsoleného roztoku obohaceného co do pektinu a odsoleného roztoku obohaceného co do pektických cukrů či oligomerů,

d) zpětné získávání odsoleného roztoku obohaceného co do pektinu a

e) zpětné získávání odsoleného roztoku obohaceného co do pektických cukrů či oligomerů.

V kroku a) podle nárokovaného způsobu je ve vodě rozpustný pektinový materiál extrahován z kaše z cukrové řepy hydrolýzou. Krok hydrolýzy, tj. krok a) se s výhodou provádí s kyselinou. Hydrolýza se může také provádět se zásadou v

00

0

- 7 04 44

0 4 0

404

0 •000 00 •0 04*0 ♦ 0 4

0 0 0

44

0044 mírných podmínkách při relativně nízkých teplotách, jako je 0 až 30 °C, zpravidla při pH 10 až 13. V podmínkách silné zásady a za zvýšené teploty se pektin snadno rozkládá. Hydrolýza se rovněž může provádět s enzymem, zpravidla s použitím enzymového přípravku majícího aktivitu pektinázy (včetně aktivity arabinázy a galaktanázy). Hydrolýza se může také provádět s enzymovým přípravkem majícím aktivitu proteázy. Hydrolýza může být dále ovlivněna ohřevem roztoku.

Hydrolýza podle kroku a) kaše z cukrové řepy se zpravidla provádí s kyselinou a získává se hydrolyzát kaše z cukrové řepy. Hydrolýza je zpravidla prováděna při teplotě menší než 100 °C, např. při teplotě 75 °C a při normálním tlaku například kyselinou chlorovodíkovou, kyselinou sírovou nebo kyselinou dusičnou, zpravidla při pH v rozmezí 1,5 až 2,5. Doba hydrolýzy může být například 2 až 10 hodin.

Krok a) dává hydrolyzát obsahující pektin, pektické cukry či. oligomery a soli.

Navíc k tomu, že se pektin a pektické cukry či oligomery stanou rozpustné, účel kroku hydrolýzy je zlepšit výtěžek a nastavit molekulovou hmotnost pektinu na požadovaný rozsah.

Po hydrolýze se pevné látky oddělí od takto získaného hydrolyzátu z kaše z cukrové řepy, aby se získal vodný roztok hydrolyzátu z kaše z cukrové řepy. Oddělování pevných látek podle kroku b) se zpravidla provádí odstřeďováním a filtrací. Rovněž se dá použit vřetenový lis.

Způsob podle vynálezu může také zahrnovat krok úpravy enzymem, zpravidla před nebo po kroku hydrolýzy. Krok úpravy enzymem se zpravidla provádí přípravou enzymu majícího pektinázovou aktivitu, který je aktivní v kyselých podmínkách. Úprava *φ ·* • φ φ φ « φ φ φφφ φφφ φφ φφφφ *♦ φφ φ φ » φ φ · · • φφφ • φ φφφφ φφ φ * φ ©·* · • φ φ φφφ • φ φ φ φ φ φ φ φ* φφ enzymem také může být prováděna s přípravou enzymu majícího proteázovou aktivitu.

Obsah pevných látek roztoku obsahujícího pektin podrobeného následujícímu kroku frakcionace je zpravidla 1 až 20 %, s výhodou 2 až 10 %, nej výhodněji 1,5 až 5 %. Hodnota pH roztoku je zpravidla menší než 5, s výhodou menší než 4, nejvýhodněji v rozmezí mezi 1,5 a 3.

Vodný roztok hydrolyzátů z kaše z cukrové řepy, získaný po oddělení tuhých látek, se potom frakcionalizuje s použitím procesu separace založeného na molekulové hmotnosti k získání frakce obohacené co do pektinu a frakce obohacené co do pektických cukrů či oligomerů. Způsoby frakcionace jsou zpravidla voleny z ultrafiltrace a chromatografické separace.

Při ultrafiltrací frakce se co do pektinu obohacená (vysokomolekulární složka) získává jako filtrační zbytek (retentát) a frakce obohacená co do pektických cukrů či oligomerů (nízkomolekulámí složky) se získává jako filtrát (permeát). Pomocí ultrafiltrace je tak možné oddělovat nízkomolekulámí složky od pektinu. Ultrafiltrace se dá také použít ke koncentrování roztoku. Po ultrafiltrací zpravidla následuje diafiltrace. Ultrafiltrace se zpravidla provádí s použitím ultrafiltrační membrány, která zachycuje molekuly mající molekulární hmotnost vyšší než 10 000 Da.

Ultrafiltrace, či diafiltrace také odstraňuje soli, přičemž se provádí odsolování ve stejnou dobu s frakcionací.

Alternativně se může provádět frakcionace kroku c) chromatografickou separací. Chromatografie umožňuje zpětné získávání několika frakcí, obvykle 2 až 3 frakcí, kde složky jsou koncentrované.

• » • 9 ·

9« 4« * “ »999 • 9

• · • 9 9«·9

V chromatografické frakcionaci podle kroku c) se vodný roztok hydrolyzátu z kaše z cukrové řepy zavádí do chromatografické kolony a rozděluje se na frakci obohacenou pektinem a frakci obohacenou pektickými cukry či oligomery, s použitím vody jako vymývacího rozpouštědla. Frakce obohacená pektinem (vysokomolekulární frakce) se získává jako první frakce a frakce obohacená pektickými cukry či oligomery (nízkomolekulární frakce) se získává jako druhá frakce. Dále se mezi pektinovou frakcí a cukrovou frakcí nebo po cukrové frakci zpravidla získává frakce obohacená solemi.

Tato frakce obohacená pektinem může zahrnovat jednu nebo více frakcí obsahujících pektin, v závislosti na požadované úzkosti distribuce molekulových hmotností pro pektinový produkt.

Chromatografická frakcionace dle kroku c) se zpravidla provádí při teplotě 40 až 90 °C, s výhodou 50 až 80 °C a nej výhodněji 65 ž 80 °C.

Chromatografická frakcionace používá vodu jako vymývací rozpouštědlo.

Chromatografická frakcionace se provádí s použitím separační pryskyřice založené na vyloučení velikosti. Vyloučení velikosti odděluje pektiny s vysokou molekulovou hmotností od cukrů s nízkou molekulovou hmotností a solí. Cukry s nízkou molekulovou hmotností se adsorbují v pryskyřici a jsou odděleny od pektinu. Zpravidla je první frakcí, která se získá z chromatografické kolony, frakce pektinu a cukry s nízkou molekulovou hmotností a soli se získají jako druhá frakce.

Pomocí pryskyřice ve formě Ca²⁺ se vymyjí ionty mezi sloučeninami s vysokou molekulovou hmotností a sloučeninami s nízkou molekulovou hmotností (mezi pektinem a cukry). S pryskyřicí ve formě Al³⁺ se ionty vymývají zčásti ve stejné • 4

4« 44 • · ·

- 10 frakci jako monosacharidy nebo po nich, což dává velmi čistou pektinovou frakci.

Chromatografická separace se zpravidla provádí pomocí kationtoměničové pryskyřice. Kationtoměničová pryskyřice může být například zesíťovaná pryskyřice z kopolymeru styrenu a divinylbenzenu, která může být ve formě s vícemocným kovovým kationtem, jako je Ca²⁺, Mg²⁺, Pb²⁺ nebo Al³⁺ forma.

Když se vyžaduje co nej čistší pektin, tak je pryskyřice s výhodou ve formě s vícemocným kovem, jako je hlinitanová forma (Al³⁺) .

Stupeň zesíťování kationtoměničové pryskyřice je zpravidla 3 až 12 % divinylbenzenu, s výhodou 4 až 8 % divinylbenzenu a velikost částic je 0,1 až 2 mm, s výhodou 0,2 až 0,4 mm.

Z chromatografického zpracování se získává pektinová frakce a jedna nebo více frakcí obsahujících pektické cukry či oligomery. Pektinová frakce se zpravidla získává jako první a jedna či více cukrových frakcí se získávají následně. Je-li to žádoucí, dají se tyto hlavní frakce dále čistit.

Odsolování se jako pravidlo provádí ve spojitosti se způsobem frakcionace, tj. ultrafiltrace a chromatografie také odstraňují soli. Je-li to žádoucí, dá se provádět další odsolování s použitím iontové výměny. Úprava iontovou výměnou k odstranění solí se provádí s kombinací silného kationtoměniče a slabého aniontoměniče. Způsob podle vynálezu může také zahrnovat čeřící krok, který se zpravidla provádí po oddělení tuhých látek v kroku b) nebo po frakcionaci podle kroku c) . Čeření se dá provádět například úpravou pomocí enzymu. Čeření odděleného pektinového roztoku se nejlépe provádí pomocí kombinace enzymů majících proteázovou aktivitu. Čeření se může také provádět další kyselou hydrolýzou nebo • · • 9 9 9 9 9 9 9 9 9 · · • · · · · 9 9 9 9 ···· ·· ·· ·· ·· ····

- 11 filtrací. Roztok se může dále čeřit s použitím předběžné filtrace vhodným dalším filtračním činidlem.

Způsob podle vynálezu může dále zahrnovat adsorpční krok. Adsorpce se zpravidla provádí po separačním kroku c) . Jako adsorbent se zpravidla používá aktivní uhlí nebo adsorpční pryskyřice. Adsorpční úprava odstraňuje zbarvení a potenciální pachuť a hořké látky.

Způsob podle vynálezu může také zahrnovat koncentrační krok. Koncentrace se zpravidla provádí po kroku frakcionace c) nebo po případném adsorpčním kroku, po kterém následuje frakcionační krok c) . Koncentrace se zpravidla provádí ultrafUtrácí anebo odpařováním.

Frakce obohacená co do peptických cukrů či oligomerů, získaných ve frakcionačním kroku c) může být podrobena další chromatografické separaci, aby se získala frakce obohacená na L-arabinózu a popřípadě jiné frakce obohacené co do peptických cukrů či oligomerů. Chromatografleká separace se zpravidla provádí kationtoměničovými pryskyřicemi. Kationt se s výhodou volí z jednomocného iontu, jako je H⁺ a Na⁺. Když se používá pryskyřice ve formě jednomocného iontu (H⁺, Na⁺) , je monosacharidová frakce bez iontů a dává velmi čistou monosacharidovou frakci (frakci peptického cukru či oligomerů).

Molekulární hmotnost pektinu z cukrové řepy, získaného způsobem podle vynálezu, se pohybuje v rozmezí od 10 000 do 60 000 Da. Způsobem podle vynálezu je možné získat čirost nad 90 % (měřeno z 1% pektinového roztoku jako propustnost pro světlo s vlnovou délkou 655 nm). Výrobek je rovněž snadno rozpustný.

Pektin ve formě takto získaného roztoku může být modifikován chemicky. Pektin může být například zesíťován. Zesíťování, • · · ·

- 12 které je s výhodou zesíťování kovalentni, může být provedeno použitím například oxidázy jako je lakasa.

Kyselý pektinový roztok může být také částečně nebo zcela neutralizován kovovými solemi nebo hydroxidy (např. NaOH). Pektin (pH 3 až 4,5) zčásti neutralizovaný jako kovové soli představuje nej stabilnější formu pektinu, takže neutralizační léčba také zlepšuje stabilitu pektinu.

Vyčištěný, takto získaný pektinový roztok může být usušen na komerční výrobek. Sušení se zpravidla provádí jako rozprašovací sušení nebo sušení na válci. Je-li to nutné, může být usušený pektin rozemlet na prášek, aglomerován do granulované formy a proset na vhodnou velikost částic. Konečný pektinový výrobek se balí a skladuje na suchém místě. Pektin může být také koncentrován roztokem cukru na stabilní roztok cukru a pektinu, který může být jako takový použit jako stabilizační činidlo ve šťávách.

Žádoucí pektické cukry či oligomery o nízké molekulové hmotnosti, jako jsou arabany, arabino-oligosacharidy a arabinósa, se získávají z pektického cukru či oligomerové frakce či frakcí chromatografické separace. Cukry se získávají ve formě cukrového roztoku, který může být krystalizován na požadovaný cukrový produkt, jako je L-arabinósový produkt. Cukrový roztok může být také koncentrován na sirup (obsah sušiny například 50 až 60 %) nebo může být dále čištěn a frakcionalizován tak, jak je to popsáno výše nebo použitím jiných způsobů.

Nej lepší posloupnost způsobů se volí na základě kvality suroviny a na základě zamýšlených výrobků. Díky vysoké variací parametrů suroviny, která je typická pro přírodní rostlinný materiál, jako je kaše z cukrové řepy, je flexibilita způsobu, který je celý založen na bázi vody, velikou výhodou • · • · · · · · · · · · · · • · * · · · ··· • · · · ·· · · ·· · · <···

- 13 ve srovnání s dřívějšími způsoby, kde je pektin nejprve vysrážen alkoholem a později znovu rozpuštěn tak, aby se provedly úpravy. U dřívějších způsobů nejsou oligomerní či cukrové složky normálně získávány zpět, přičemž u způsobu podle vynálezu se tyto složky současně získávají zpět.

U způsobu podle vynálezu je možné modifikovat koncový produkt úpravou separačního či čisticího procesu tak, aby se vyráběly pektiny na míru se srovnatelně nízkou molekulovou hmotností. Seřízení molekulové hmotnosti koncového výrobku se může dosáhnout například ve fázi hydrolýzy tím, že se mění dávky kyseliny či enzymu, pH, teploty a času u hydrolýzy nebo po oddělení pevných látek s použitím následné hydrolýzy změnami dávek kyseliny či enzymu, mění se pH a teplota a použijí se různé doby následné hydrolýzy.

Jedno provedení způsobu podle vynálezu se základními alternativami je znázorněno na obr. 1. Obrázek ukazuje krok 1^ kyselé hydrolýzy s případnou úpravou la enzymu, oddělování 2 tuhých látek, po kterém následuje případně kontinuální hydrolýza lb kyselinou nebo enzymy, filtrace 3, po které následuje ultrafiltrace 4a nebo chromatografická separace 4b, případně diafiltace či adsorpce 5 po ultrafiltraci či chromatografii, ultrafiltrační koncentrace 6 pektinové frakce s případnými úpravami 6a pektinového produktu po kterých následuje sušení pektinového produktu rozprašováním, jakož i další chromatografická separace 7 cukrové či oligomerní frakce, po které následuje získávání L-arabinózy.

Surovina na bázi cukrové řepy, používaná jako výchozí materiál, je s výhodou biologicky konzervovaná kaše z cukrové řepy. Toho se zpravidla dosáhne snížením pH kaše na hodnotu

3,5 až 4,5 a následným skladováním kaše v podstatě v • · ► · ··· ·

- 14 podmínkách bez přítomnosti kyslíku. Příprava biologicky konzervované kaše z cukrové řepy je popsána ve WO 99/10384.

Biologicky konzervovaná kaše z cukrové řepy se zpravidla získá tím, že se upravuje čerstvá, vylisovaná kaše z cukrové řepy, ze které byly extrahovány cukry a která má obsah sušiny kolem 20 až 30 hmotnostních tak, že se pH sníží na 4, s výhodou zamícháním vhodného kyselinového roztoku do kaše. Organické kyseliny, jako je kyselina mravenčí, kyselina mléčná, kyselina octová anebo jejich směsi jsou účinné a snadno se používají. K dispozici jsou také komerční kyselé směsi, jako je Ensimax, který se skládá z kyseliny mravenčí a lignosulfonátu a silážová kyselina (AIV kyselina), která se hlavně skládá z kyseliny mravenčí. Úprava se s výhodou provádí ihned po lisování, když má kaše teplotu kolem 60 °C. Kaše upravená kyselinou, která má pH kolem 4, je s výhodou balena vzduchotěsným způsobem, např. do plastového pytle nebo do plastové trubice a nechá se stabilizovat.

Způsob podle vynálezu může rovněž využít sušenou kaši z cukrové řepy jako surovinu, přičemž sušená kaše z cukrové řepy se uvede do podoby roztoku použitím hydrolýzy výše uvedeným způsobem.

Příklady provedení vynálezu

V následujícím bude vynález popsán pomocí podrobných, ale nikoliv vymezujících příkladů.

Analytické metody použité v příkladech byly následující:

Galakturonová kyselina: spektrofotometrická metoda (Blumenkrantz, N. a Asboe-Hansen, G., New method for quantitative determination of uronic acids (Nová metoda

0 · 0 · 0 0 · 0 · · 0 0 0 0000 000

000 0 00 0· 00 0· 0000

- 15 kvantitativního stanovení uronové kyseliny), 54 (1973) 484 až

489) nebo HPLC (tj. vysokovýkonnostní kapalné chromatografie).

Mono- a oligosacharidy: HPLC, Pb⁺⁺.

Obsah sušiny a hmotnostní procenta roztoků: měření indexu lomu roztoků (Index Instruments Automatic Refractometer GRP 11-37) nebo sušení v pícce při 105 °C.

Vodivost: standardní měřič vodivosti (radiometr CDM92).

Hodnota pH: radiometr PHM92.

Molekulové hmotnosti (odhadované molekulové hmotnosti) získaných pektinových polymerů byly stanoveny na bázi viskozity s použitím hexametafosfátu sodného jako reference.

Příklad A

Příprava biologicky konzervované kaše z cukrové řepy pro použití jako výchozí materiál pro příklady 1, 2, 4 a 5.

Čerstvá vylisovaná kaše z cukrové řepy neobsahující cukr (1000 kg) mající obsah sušiny kolem 22 % byla upravena 4 litry komerční kyselé směsi Ensimax” (výrobek firmy Kemira Oy, Finsko). Kyselá směs obsahovala 30 % hmotn. kyseliny mravenčí (85%), 20 % hmotnostních kyseliny octové (80%) a 50 % hmotnostních lignosulfonátu (37%). Během míchání byla teplota kaše z cukrové řepy 50 až 60 °C a míchání bylo prováděno po dobu kolem jedné minuty v mixéru se šnekem. Směs byla zabalena do těsného plastového pytle, který byl vyroben z 0,25 mm polyetylenové fólie. Kaše byla ponechána venku, aby chladla a stabilizovala se, a pytle byly skladovány venku po dobu čtyř měsíců.

Příklad 1 • · ·· · δ ···· · · ·· • δ · δ · · · ··«· δ · · · · · · · « · · * δ··· δδ ·♦ *· ·· ·>··

- 16 5400 kg biologicky konzervované kaše z cukrové řepy bez cukru připravené podle příkladu A (obsahující 25 % sušiny) bylo přidáno k 23 000 litrům vody v reaktoru o objemu 30 m³. Přidalo se 36 kg koncentrované kyseliny sírové a smíchalo s kaší, čímž se dosáhlo pH 1,5. Takto získaná směs se ohřála na 75 °C a kaše se hydrolyzovala po dobu 2,5 h. Hodnota pH byla seřízena na 3,5 pomocí 40 kg 50% NaOH, načež se směs přefiltrovala. Nerozpuštěné pevné látky byly odstraněny z filtrátu odstředěním v usazovací odstředivce. Získaný roztok byl čeřen s použitím odstředivky s bubnem a sadou kotoučů a do čista filtrován v bubnovém filtru s křemelinovou vrstvou (filtr Seitz s diatomovou zeminou k filtraci) . Obsah sušiny ve filtrátu byl 3,0 % hmotn.

Filtrát byl podroben ultrafiltraci s použitím membrány s odřezáváním na velikosti 10 000 Da (průtok 18 litrů/m².h, celková doba ultrafiltrace byla 10 hodin) k odstranění nízkomolekulárních sloučenin, včetně cukrů a solí. Vysokomolekulární pektin byl získáván ve filtračním zbytku jako pektinová frakce, zatímco nízkomolekulární sloučeniny byly získávány ve filtrátu jako cukrová frakce.

Získaná pektinová frakce byla dále čištěna diafiltrací a adsorpční pryskyřicí (Optipore). Vyčištěný pektinový roztok byl potom koncentrován s použitím ultrafiltrace (s membránou mající velikost kdy dochází odřezávání 10 000 Da) a konečně odpařováním na koncentraci 3 % hmotn., což je vhodné pro β

sušení rozprašováním. Objem celkem získaného roztoku byl 6 m .

Analýza odpařeného pektinového roztoku:

Sušina (Rl) 3 %

Odhadovaná molekulová hmotnost

000 « ·· to •to ···· • · · · · · • ·· «··· ·· toto • to ····

Čirost (založená na propustnosti pro světlo;

pH

3, 5

Žádné zbarvení nebo pachuť

Pektinová frakce byla sušena rozprašováním k získání srovnatelně vysokomolekulárního pektinu z cukrové řepy, vhodného jako zahušťovadlo pro potraviny.

Analýza filtrátu (cukrové frakce), získaného z frakcionačního kroku (první ultrafiltrace) je uvedena v následující tabulce.

Monomerní cukry (arabinóza, glukóza a fruktóza) a oligomery byly stanoveny pomocí HPLC (vysokovýkonnostní kapalné chromatografie) s analytickou hydrolýzou nebo bez ní.

Analýza filtrátu

Sušina

1,2 %

Monomerní cukry susiny

Oligomery % sušiny

Soli (hlavně Na₂SO₄ susmy

PH

3, 5

Cukrová frakce byla čištěna chromatografií k odstranění solí a k získání cukrové a oligomerní frakce, zejména L-arabinózy. Chromatografická separace byla prováděna pomocí kationtoměničové pryskyřice v Na⁺ formě (pryskyřice ze sulfonovaného polystyren-divinylbenzenového kopolymerů, mající stupeň zesítění 5,5 %, velikost částic pryskyřice kolem 0,45 mm, výrobce Finex Oy, Finsko). Výška lože pryskyřice byla 6,4 m a teplota vstupního roztoku byla kolem 70 °C. Složení vstupního roztoku bylo kolem 30 % monomerních cukrů, kolem 30 % oligomerů a kolem 60 % solí, vztaženo na obsah ·· • » · ·

- 18 • · ·· « · · • ····· · · · · · · • · · · · · ··· « · · · · · · · * · ·· · · · « koncentrován na 15 % sušiny, dávalo cukrovou frakci obsahující která se dále získávala krystalizací.

sušiny. Vstup byl Chromatografické dělení kolem 85 % L-arabinózy,

Příklad 2

Hydrolyzát z kaše z cukrové řepy, připravený hydrolýzou mírnou kyselinou byl čištěn odstraňováním pevných látek a filtrací jako je tomu v příkladu 1. Filtrovaný roztok byl podroben chromatografické separaci tam, kde byly nízkomolekulární cukry odděleny od solí a od vysokomolekulárních pektinů s použitím A) pryskyřice ve formě Ca²⁺ nebo B) pryskyřice ve formě Al³⁺.

A) Chromatografická separace s pryskyřicí ve formě Ca²⁺

Filtrovaný roztok byl podroben chromatografické separaci v koloně obsahující pryskyřici na bázi sulfonovaného polystyrendivinylbenzenového kopolymeru mající stupeň zesítění 4 % (pryskyřice Korela V06C, výrobce Finex Oy, Finsko). Chromatografická separace byla prováděna za následujících podmínek: pryskyřice v Ca⁺⁺ formě, průměrný průměr částic pryskyřice byl 0,25 mm, výška lože pryskyřice byla 1,7 m, průměr kolony byl 9,5 cm a teplota byla 65 °C, objem lože byl 11,9 dm³, průtok byl 40 ml/min, objem vstupu byl 1000 ml, vodivost vstupního roztoku byla 12 mS/cm, obsah sušiny ve vstupním roztoku byl 3,0 %, hodnota pH vstupního roztoku byla 3,5, vymývacím rozpouštědlem byla voda.

Výsledky jsou znázorněny na obr. 2. Frakce, která byla vymývána jako první (objemy 3,5 až 5,5) obsahovala většinou pektinu, další frakce (objemy 5,5 až 7,5) obsahovala soli a třetí frakce (objemy 8 až 10) obsahovala cukry. Separace dávala tři frakce: pektinovou frakci, solnou frakci a cukrovou frakci.

• * • · « · · · • · · Β · · • · ♦· Β · ···«

- 19 Pektinová frakce byla upravena adsorpční pryskyřicí a byla koncentrována použitím ultrafiltrační 10 000 Da) a odstranění zbývajícího zbarvení ultrafiltrací či diafiltrací (s membrány mající velikost pro odřezávání odpařováním na koncentraci s obsahem sušiny 3,5 %.

Analýza koncentrovaného roztoku pektinu:

Sušina (Ri;

Odhadovaná molekulová hmotnost

3,5 %

000

PH

3,5

Bez zbarvení nebo pachuti

Pektinová frakce byla sušena rozprašováním a získal se relativně vysokomolekulární produkt. Produkt je vhodný jako zahušťovadlo a emulgátor do potravin.

Roztok cukru byl koncentrován na sirup mající obsah sušiny 50 až 60 %. Získaný sirup jako takový se dá použít jako prekurzor aroma nebo například může být dále frakcionalizován.

B) Chromatiografická separace s pryskyřicí ve formě Al³⁺

Filtrovaný hydrolyzát byl podroben chromatografické frakcionaci s použitím stejné pryskyřice jako výše uvedená frakcionace A), kromě toho, že pryskyřice byla ve formě Al³⁺. Chromatografická frakcionace byla prováděna v koloně, která měla výšku 1 m a průměr 4,5 cm (objem pryskyřice byl 1 litr). Objem lože byl 0,75 litru a objem nástřiku byl 80 ml.

Pryskyřice byla podrobena zpětnému vymývání a regenerována na vodíkovou formu se třemi objemy lože 5% hmotn. kyseliny chlorovodíkové a vymyta iontoměničově demineralizovanou vodou.

Regenerace na hliníkovou formu byla prováděna nejprve zavedením třech objemů lože roztoku 10% hmotn. síranu

- 20 hlinitého přes pryskyřičné lože (1 objem lože za hodinu) a následně při stejné rychlosti průtoku 1,5 objemu lože 10% hmotn. roztoku síranu hlinitého majícího pH seřízené na hodnotu 1,5. Pryskyřice byla vymyta demivodou (8 až 10 objemů lože).

Teplota chromatografické separace byla 70 °C a průtok separace byl 13 ml/min. Pektinový hydrolyzát mající obsah sušiny 1,6 % byl ohřát na separační teplotu před jeho zavedením do kolony. Sbírání frakcí bylo zahájeno 15 minut po té, co byl pektinový hydrolyzát zaveden do kolony a vzorky byly odebírány v intervalech po jedné minutě. Výsledek separace je uveden na obr. 3,

Obr. 3 ukazuje, že pektinový materiál s vysokou molekulovou hmotností je vymýván v retenčním objemu 0,3 až 0,5 1. Křivka vodivosti ukazuje, že většina iontů v roztoku zavedených do kolony je vymývána v rozmezí 0,5 a 0,8 1. Retenční objem monosacharidů je mezi 0,4 a 0,7 1. Oddělování pektinového materiálu a iontů bylo podobné jako separace prováděná s pryskyřicí v Ca²⁺ formě, popsaná výše, ale pektin a ionty se oddělily lépe.

Takto získaná pektinová frakce byla upravena adsorpční pryskyřicí stejně jako výše, aby se odstranilo zbývající zbarvení a koncentrovala se ultrafiltrací či diafiltrací (s použitím ultrafiltrační membrány s uřezávací velikostí 10 000 Da) a odpařením na obsah sušiny 3,5 %. Analýza koncentrovaného pektinového roztoku byla v podstatě stejná jako u frakcionace A) uvedené výše.

Pektinová frakce byla usušena rozprašováním a poskytla srovnatelně vysokomolekulámí produkt. Produkt je vhodný jako zahušťovadlo a emulgátor v potravinách.

• ·

«· ·· • · · fc ♦ · ·· · · • fc

- 21 Cukrová frakce byla upravena stejným způsobem jako v procesu popsaném výše.

Příklad 3

Sušená kaše z cukrové řepy obsahující 4 kg sušiny byla hydrolyzována v 70 litrech vody obsahující 600 g kyseliny sírové (96 %) po dobu dvou hodin při 75 °C. Hodnota pH byla upravena na 1,5 přídavkem NaOH a nerozpuštěná biomasa byla odstraněna v bubnové odstředivce. Hydrolyzát byl ochlazen na 50 °C a na dobu 10 minut podroben úpravě enzymem s přípravou pektinázového enzymu (Viscozyme 120 L, výrobce Novo Nordisk) v množství 2,5 μΙ/l g pektinu, aby se dokončila hydrolýza. Enzym byl inaktivován ohřevem na 70 °C. Získaný hydrolyzát obsahující 3 % sušiny byl filtrován ve filtru Seitz.

Roztok získaný z filtrace byl podroben ultrafiltraci s použitím membrány s řezem na velikosti 5000 Da (Millipore Helicon UF50). Průtok byl 12 litrů/m².h. Získaný pektinový koncentrát byl vyčištěn diafiltrací a adsorpcí jako v příkladech 1 a 2 a zkoncentrován ultrafiltraci či diafiltrací (řez na velikosti 10 000 Da) a odpařováním na 3 % sušiny.

Analýza koncentrovaného pektinového roztoku:

Sušina ³ %

Odhadovaná molekulová hmotnost 30 000

Hodnota pH 3,5

Žádné zbarvení a pachuť

Sušení pektinové frakce rozprašováním zabezpečilo výrobek se střední molekulovou hmotností, vhodný například jako emulgátor a jako rozpustná vlákninová složka v potravinách.

- 22 94 44

9 4 9 4 • · ····

4944

Příklad 4

7,6 kg biologicky konzervované kaše bez cukru s obsahem sišiny 21 % (včetně 1,6 kg sušiny) bylo po dobu 2,5 hodiny podrobeno kyselé hydrolýze kyselinou sírovou při pH 1,5 a při teplotě 75 °C. Roztok byl neutralizován roztokem NaOH na pH 3,5 a ochlazen na 50 °C. roztok byl podroben vystaven působení enzymu obsahujícího proteázu (Sumizyme AP, výrobce Shin-Nippon Kagaku K.K.) v množství 0,4 mg suchého enzymu/1 g pektinu po dobu 0,5 hodiny při 50 °C, načež byly enzymy inaktivovány ohřevem na 70 °C. Roztok byl filtrován pomocí bubnového filtru s křemelinovou vrstvou,

Zfiltrovaný roztok byl podroben ultrafiltraci či diafiltraci a čištění stejným způsobem jako v příkladu 3.

Takto získaný pektin měl střední molekulovou hmotnost 40 000 Da, která zabezpečovala nezbarvený roztok s čirostí 96 %. Produkt je vhodný například jako rozpustná vlákninová složka v potravinách,

Příklad 5

Biologicky konzervovaná kaše z cukrové řepy, připravená podle příkladu A, byla podrobena kyselé hydrolýze stejným způsobem, jako v příkladu 4. Roztok byl vystaven po dobu 10 minut působení pektinázového enzymu (Viscozyme 120 L, výrobek firmy Novo Nordisk) v množství 2,5 gg/lg pektinu při 50 °C, načež byl enzym inaktivován ohřevem na 70 °C. Potom byla biomasa odstraněna dekantačním odstředěním a získaný hydrolyzát byl podroben druhé kyselé hydrolýze při pH 1,5 po dobu 3 hodin a 20 minut při 70 °C. Po filtraci se získal čirý pektinový roztok. Nízkomolekulámí složky byly dále odděleny z tohoto roztoku ultrafiltraci stejným způsobem jako v příkladu 3.

040·

40 · 44··

0··· 04 4

000 0 · « 4 4 0

4 0000 000

4000 00 00 00 ·0 0000

- 23 Ultrafiltrovaný pektinový produkt měl poměrně nízkou molekulovou hmotnost (22 000 Da) a zabezpečoval čirý, bezbarvý vodný roztok. Produkt je vhodný například jako rozpustná vlákninová složka a zahušťovadlo v potravinách.

Filtrát z ultrafiltrace byl podroben chromatografické separaci k získání L-arabinózy. Pryskyřice použitá v chromatografické separaci byla kationtoměničová pryskyřice v Na⁺ formě (pryskřice na bázi sulfonovaného kopolymerů polystyrenu a divinylbenzenu mající stupeň zesíťování 5,5 % a velikost částic pryskyřice kolem 0,45 mm, výrobce Finex Oy, Finsko). Výška lože pryskyřice byla 6,4 m a teplota vstupního roztoku byla 70 °C. Složení vstupního roztoku bylo kolem 30 % monomerních cukrů, 30 % oligomerních cukrů a kolem 60 % solí, vztaženo na sušinu. Nástřik byl koncentrován na 15 % sušiny. Chromatografická separace vedla k cukrové frakci obsahující kolem 85 % L-arabinózy, která se získala krystalizací.

Odborníkovi v oboru je zřejmé, že tak, jak se vyvíjí technologie, může být základní myšlenka vynálezu zavedena mnoha různými způsoby. Vynález a jeho provedení tedy nejsou omezeny na příklady popsané výše, ale mohou se obměňovat v rozsahu nároků.

Claims

1. Způsob současného čištění a separace pektinu a pektických cukrů či oligomerů z kaše z cukrové řepy s použitím vícestupňového způsobu ve vodném roztoku vyznačující se tím, že se skládá z kroků

a) hydrolýzy kaše z cukrové řepy k získání hydrolyzátu kaše z cukrové řepy,

b) oddělování tuhých látek z hydrolyzátu kaše z cukrové řepy k získání vodného roztoku hydrolyzátu kaše z cukrové řepy,

c) frakcionace a odsolování vodného roztoku hydrolyzátu kaše z cukrové řepy s použitím způsobu separace založeného na molekulové hmotnosti k získání odsoleného roztoku obohaceného co do pektinů a odsoleného roztoku obohaceného co do pektických cukrů či oligomerů,

d) zpětné získávání odsoleného roztoku obohaceného co do pektinu a

2. Způsob podle nároku 1 vyznačující se tím, že se hydrolýza podle kroku a) provádí kyselinou.

3. Způsob podle nároku 1 nebo 2 vyznačující se tím, že způsob dále zahrnuje krok úpravy enzymem.

Způsob úprava podle nároku 3 v enzymem provádí před yznačuj ící nebo po kroku se tím, hydrolýzy.

že se

5. Způsob podle nároku 3 nebo 4 vyznačující se tím, že se krok úpravy enzymem provádí enzymem majícím pektinázovou aktivitu.

·· ·· • · ♦ · · «

99 9 9 * · 9 9 9 9

- 25 β. Způsob podle nároku 3 nebo 4 vyznačující se tím, že se krok úpravy enzymem provádí enzymem majícím proteázovou aktivitu.

7. Způsob podle nároků 1 až 6 vyznačující se tím, že se separace tuhých látek podle kroku b) provádí odstřeďováním a filtrací.

8. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že se frakcionace podle kroku c) provádí s použitím ultrafiltrace, po které s výhodou následuje diafiltrace k získání frakce obohacené co do pektinu jako filtračního zbytku a frakce obohaceného co do pektických cukrů či oligomerů jako filtrátu.

9. Způsob podle nároku 8 vyznačující se tím, že se ultrafiltrace provádí s použitím ultrafiltrační membrány zachycující molekuly mající molekulovou hmotnost přesahující 10 000 Da.

10. Způsob podle nároků 1 až 7 vyznačující se tím, že se frakcionace kroku c) provádí s použitím chromatografické separace k získání první frakce obohacené co do pektinu a druhé frakce obohacené co do pektických cukrů či oligomerů.

11. Způsob podle nároku 10 vyznačující se tím, že se získává další frakce obohacená co do solí.

12. Způsob podle nároku 10 nebo 11 vyznačující se tím, že se chromatografická separace provádí kationtoměničovou pryskyřicí.

13. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že kationtoměničová pryskyřice je ve formě vícemocného kovu.

14. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, zvolen z Ca²⁺ a Al³⁺.

že kov je

- 26

15. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že způsob dále zahrnuje krok čeření.

16. Způsob podle nároku 15 vyznačující se tím, ze se krok čeření provádí po separaci tuhých látek podle kroku b) nebo po frakcionaci podle kroku c).

17. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že způsob dále zahrnuje adsorpční krok.

18. Způsob podle nároku 17 vyznačující se tím, že se adsorpční krok provádí po frakcionaci podle kroku c).

19. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že způsob dále zahrnuje koncentrační krok.

20. Způsob podle nároku 19 vyznačující se tím, že se koncentrační krok provádí po frakcionaci podle kroku c) nebo po případné adsorpci, po které následuje frakcionace podle kroku c).

21. Způsob podle nároků 19 nebo 20 vyznačující se tím, že se krok koncentrace provádí ultrafíltrací anebo odpařováním.

22. Způsob podle kteréhokoliv z předchozích nároků vyznačující se tím, že frakce obohacená co do pektických cukrů či oligomerů, získaná ve frakcionaci podle kroku c) se podrobuje další chromatografické separaci a získává se frakce obohacená co do L-arabinózy a popřípadě další frakce obohacené co do ostatních pektických cukrů či oligomerů.

Φ· ··

Β · · · • · · • ··· »· · · ·· > · · a ·« · ·

- 27

23. Způsob podle nároku 22 vyznačující se tím, že se chromatografická separace provádí kationtoměničovou pryskyřicí.

24. Způsob podle nároku 23 vyznačující se tím, že kationtoměničová pryskyřice je ve formě jednomocného kovu.

25. Způsob podle nároků 23 nebo 24 vyznačující se tím, že je kationt zvolen z H⁺ a Na⁺.