DD266117A1 - Verfahren zur herstellung von invertzucker - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Invertzucker mit Hilfe eines neuen Invertase-haltigen Biokatalysators, der kostenguenstig aus Abfallmycel der Penicillinfermentation durch Penicillium chrysogenum auf der Basis Saccharose-haltiger Naehrmedien gewonnen werden kann. Die Aufgabe wird in der Weise geloest, dass durch aerobe Fermentation Saccharose-verwertender Staemme von Penicillium chrysogenum, beispielsweise des Stammes Penicillium chrysogenum ZIMET 2, durch Fermentation auf Saccharose-haltigen Naehrmedien Biomasse erzeugt, durch Separation von der Antibiotikum-haltigen Fermentationsloesung abgetrennt und das in den Zellen enthaltene Enzym Invertase durch Suspension der Biomasse in dem fuenffachen Gewichtsanteil Aceton fixiert wird. Der solchermassen erhaltene Biokatalysator ATPM wird eingesetzt, um innerhalb von 10 bis 24 Stunden mindestens die 20fache Gewichtsmenge an Saccharose in ein Gemisch von Glucose- und Fructose (Invertzucker) umzuwandeln, das in der Nahrungsmittel- und Getraenkeindustrie verwendbar ist.

Description

3. Verfahren nach Punkt 2, gekennzeichnet dadurch, daß

— für die Inkubation eine mit Biokatalysator ATPM versetzte wäßrige Saccharoselösung, bestehend aus 0,5 Gewichtsteilen ATPM auf 10 Gewichtsteilen Saccharose in 100 Gewichtsteil en Wasser, eingesetzt,

— die Inkubation bui einer Temperatur von 37°C bei pH 7,0 ± 0,5 für 20 Stunden durchgeführt und

— die entstandene invertzuckerhaltige Lösung durch Aktivkohle-Behandlung sowie Filtration gereinigt

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft din neues Verfahren zur Herstellung von Invertzucker aus Saccharoselösungen.

Durch die chemisch-hydrolytische Spaltung von Saccharose oder durch deren enzymatischer Umwandlung in äquimolekulare Gemische vcn Glucose und Fructose mit Hilfe des Enzyms Invertase worden in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie violsoitig angewandte Süßungsmittel (Invertzucker) erhalten. Gegenüber dem Ausgangsstoff Saccharose zeichnet sich Invertzucker durch eine erhöhte Süßkraft sowie verbesserte Gebrauchseigenschaften hinsichtlich Aromastoffbeeinflussung aus.

Das Anwendungsgebiet der Erfindung liegt somit in der pharmazeutischen sowie in der Getränke- und Lebensmittelindustrie.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist seit wenigstens 50 Jahrer das Verfahren der chemisch-hydrolytischen Spaltung von Saccharose in Glucose-Fructo3e-Gemische (Invertzucker). Dieses chemisches Verfahren der Saccharosespaltung hat den Nachteil der Bildung vod Nebenprodukten.

Gegenwärtig wird Invertzucker überwiegend durch enzymatische Spaltung mit Hilfe von partiell gereinigter Invertase (ß-D-Fructofurenosidase) aus Bäckerhefe gewonnen, die entweder in löslicl sr Form in einem Batch-Prozeß oder in Bindung an einen festen Träger (immobilisierter Biokatalysator) diese Umwandlung bewirkt. Von Nachteil ist, daß der Katalysator beim Batch-Prozeß nach einem Umsatzzyklus ersetzt werde.ι muß. Der Nachteil der Herstellung von immobilisierter Invertase besteht in dem Aufwand, dor für Eniymreinigung und Immobilisation notwendig ist. Von Nachteil ist ferner, daß für die Enzymgewinnung die Herstellung von Bäckerhefe durch einen speziellen Fermentationsprozeß erforderlich ist. Die fermentative Produktion invertasehaltiger Hefezellen verursacht daher einen wesentlichen Teil der für die enzymatische Umwandlung von Saccharose in Inveitzucker aufzuwendenden Kosten (Römps, Chemie Lexikon, Bd.3, S. 1907 und 1908 Franckh'sche Verlagsbuchhandlung Stuttgart, 1983; S.A.BARKER: Immobilized enzymes. In: Economic Microbiology, Vol.5 (Ed. A. A. ROSE] S.331-369, Academic Press, 1980; S. A. BAR '«ER u. J. A. SHIRLEY: Glucose Oxidase, Glucose Dehydrogenase, Glucose Isomerase, ß-Glactosidaso and Invertase. In: Economic Microbiology, Vol.6 (Ed. A. A. ROSE) S. 173-228, Academic Press, 1980; R. D. SWEIGAHT: Industrial applications of immobilized enzymes: a commercial overview. In: Applied Biochom. and Bioeng., Vol.2. Enzyme Technology. (Eds. WINGARD, LB., KATCHALSKI-KATZIR, E. u. GOLDSTEIN, L.| 1979, S. 209-218; W.MARCONI and F. MORIST: Industrial applications of fiber-enhapped enzymes. In' Applied Biochern. and Bioeng., Vol. 2. Enzyme Technology (Eds. WINGAPD, L.B., KATCHALSKI-KATZIR, E. u. GOLDSTEIN, L.) 1979, S.219-258).

Ziel der Erfindung

Die Erfindung dient der Herstel'ung von Invertzucker, um die bisher bekannton Verfahren zur Spaltung von Saccharose in Gemische von Glucose und Fructose, kurz Inveitzucker genannt, durch einen neuartigen, besonders kostengünstigen Prozeß abzulösen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein tecl .nologisch einfaches Verfahren zu beschreiben, mit dessen Hilfe auf enzymatischem Wege die Umwandlung von Saccharoselösungen in Gemische von Glucose und Fructose (Invertzucker) unter Einsatz eines neuartigen invertasehaltigen Biokatalysators durchgeführt werden kann. Gleichzeitig liegt damit uc - Erfindung die Aufgabe zugrunde, das zugehörige Toilverfahcen zur Herstellung des hierzu heranzuziehenden neuartigen invertasehaltigen Biokatalysators anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß im ersten Schritt als Ausgangsprodukt für die Bereitung d^s bei der enzymatischen Gewinnung von Invertzucker einzusetzenden invertasehaltigen Biokatalysators ein Abfallprodukt dei Penicillin-Fermentation, nämlich die be der Kultivierung von saccharoseverwertendan und auf saccharosehaltigen Medien angezogenen Stämmen des Penicillin-Bildners Penicillium chrysogenum in großen Mengen anfallende und anderweitig nicht weiter verwendbare Biomesso (Abfallmyzoi/,^: .erangezogen wird.

Zur verfahrensgemäßen Bereitung des neuartigen invertasehaltigen Biokatalysators wird das Myzel von Penicilliumchrysogenum nach Beendigung der Fermentation auf saccharosehaltigen Medien auf an sich bekannte Weise, vorzugsweise durch Separation, von der Kulturlösung abgetrennt. Anschließend wird das Myzel durch Rühren in Aceton suspendiert und ein Acetontrockenpulver hergestellt. Durch die Extraktion des frischen Myzels mit Aceton werden eventuell anhaftende Spuren Penicillin vollständig entfernt.

Das Acetontrockenpulver des Myzels von P. chrysogenum kann, wie gefunden wurde, zum einen bereits direkt, d. h. ohne zusätzliche Reinigungsschritto, als Biokatalysator in der Konversion von Saccharose zu Invertzucker eingesetzt werden: Dieses invenasehaltige Präparat in Form von Aceton-getrockneten Ganzzellen aus dom erwähnten Abfallmyzel verfügt über eine katalytische Aktivität, die im Bereich von 20 bis40μΜοΙ Umsatz Saccharose/min/g Acetontrockei^u'ver des Myzels liegt.

Diesem neuartigen invertasehaltigen Präparat wurde die Bezeichnung „Biokatalysator ATPM" gegeben.

Zum anderen kann das Trockenpulver auch zur Herstellung von weiter gereinigten bzw. von weiter angereicherten Invertase-Präparaten dienen.

Als Mikroorganismus für die Gewinnung des Myzels (der Biomasse* kann jeder saccharoseverwertendü penicillinbildende Stamm von Penicillium chrysogenum, beispielsweise der in der ZIMET-Hinterlegungsstelle für Mikroorganismen des Zentralinstituts für Mikrobiologie und experimentelle Therapie der Akademie der Wissenschaften, DUR - Jena, 6900, Beutenbergstr. 11 hinterlegte Stamm Penicillium chrysogenum ZIMET 2, eingesetzt werden.

Nach Bereitstellung des Biokatalysators ATPM wird das vorliegende Verfahren zur Gewinnung von Invertzucker zu Ende geführt, indem 7,5 bis 15,0, vorzugsweise 10,0, Gewichtsteile Saccharose bzw. saccharosehaltige Produkte wie beispielsweise Rohzucker oder Rübenzuckersirupe mit 0,5 Gewichtsteilen Biokatalysator ATPM in 100 Gewichtsteilen Wasser suspendiert werden (d. h.

Mischungsverhältnis KatalysatorSaccharose 1:15 bis 1.30, vorzugsweise 1:20, in wäßriger Lösung von 10% Saccharose); die Suspension wird anschließend für 10 Stunden bis 24 Stunden, vorzugsweise 20 Stunden, bei Temperaturen von 35⁰C bis 45⁰C, vorzugsweise bei 37°C, sowie neutralen pH-Werten, vorzugsweise pH 7,0 ± 0,5, inkubiert. Dabei erfolgt die quantitative Umwandlung des Disaccharide in Glucose und Fructose (Invertzucker), d. h. bei verfahrensgemäßem Vorgehen wird durch den bereitgestellten Biokatalysator innerhalb von 10 Stunden bis 24 Stunden wenigstens die 20fache Gewichtsmenge an Saccharose in Invertzucker umgewandelt.

Nach Beendigung der Inkubation werden die Rückstände des Biokatalysators ATPM durch Zentrifugations- oder Filtrationsmethoden abgetrennt, und durch Behandlung mit an sich bekannten Adsorbentien, vor. jgsweise mit Aktivkohle, werden aus der entstandenen invertzuckerhaltigen Lösung Geruchsstoffe und färbende Bestandteil!) entfernt. Die nach eher anschließenden Filtration erhaltene färb- und geruchslose Lösung von Invertzucker kann durch Einengen gegebenenfalls noch weiter konzentriert werden.

Die Vorteile der Erfindung werden wie folgt gesehen:

— Das beschriebene Vorfahren erlaubt eine kostengünstige Umwandlung von Saccharose in Invertzucker, da für die Enzymbzw. Biokatalysatorherstellung kein gesondertes Fermentationsverfahren erforderlich ist.

— Das beschriebene Verfahren erlaubt den Einsatz eines billigen invertasehaltigen Biokatalysators (Katalysator ATPM), der in einem Batch-Prozeß Verwendung finden kann und der wegen seiner niedrigen Herstellungskosten nicht wieder rückgewonnen werden muß.

— Das beschriebene Verfahren erlaubt die Produktion von Inveitzucker in einem einfachen Prozeß unter Verwendung billiger Einsatzstoffe.

— Das beschriebene Verfahren erlaubt die Gewinnung eines Schadstoff-finsbesondere Pe illin-)freien Invertzucker, so daß unter anderem die pharmakologisch-toxikologische Unoedenklichkeit des Verfahrensproduktes gewährleistet ist.

— Das beschriebene Verfahren erlaubt die vorteilhafte Weiterverwertung eines ansonsten umweltbelastenden Abfallproduktes der Penicillin-Erzeugung.

Ausführungsbeispiel

In einem Ausführungsbdispiel soll die Erfindung näher erläutert, jedoch dadurch nicht eingeschränkt werden:

a) Anzucht des Enzymbildners

Zur Anzucht vegetativer Myzelien von Penicillium chrysogenum ZIMET 2, hier das Ausgangsmaterial für die Herstellung des neuartigen Biokatalysators ATPM, wird wie folgt verfahren: In einem mit Sporen beimpften 4I-Laborfermentor wird eine Vorkultur durch 34st(indige aerobe Fermentation auf einem Medium folgender Zusammensetzung erhalten (g/l): Saccharose 20; Maisquellwasser 16,5; Sonnenblumenöl 5; Erdnußmehl 10; NaNO₃ 3; CaCO₃ 2; KHjPO₄ 0,5; MgSO,, 0,1; ZnSO₄ 0,02; MnSO₄ 0,007; PPG 0,1; pH (vor dem Sterilisieren) 6,0 bis 6,4; (Sterilisation 60 Minuten bei 120⁰C, Fermentationstemperatur 25"C).

Die Hauptkultur wird durch Beimpfen mit 10% der Inokulumkultur auf einem Nährmedium folgender Zusammensetzung in 30-1- bis 500-l-Fermentoren angezogen (g/l): Erdnußmehl 30; CaCO₃ 9; PPG 0,2; Na₂SjO₃ χ 5H₂O 5; PES 0,5; Meisquellwasser 12; Sonnenblumenöl 5; Saccharose 5 (Zugabe nach der Sterilisation); (Sterilisation 30 Minuten bei 120°C; Fermentationstemperatur 25°C; Belüftung 1:1; pH geregelt bei 6,5 mit NH₃). Während der

Fermentation wird entsprechend dem Nährstoffverbrauch Saccharose und (NH₄I₂SO₄ zur Gewährleistung einer hohen Penicillinprcduktion zudosiert. Als Antischaummittel wird Sonnenblumenöl eingesetzt. Der Abbau erfolgt zur 120sten Stunde, wobei die Kulturlö3ung einen Biomasse-Gehalt von 40g bis 60g Trockenmasse/l aufweist.

b) Herstellung des invertgashaltigen Katalysators ATPM

Zur Herstellung von invertgashaltigen Myzelion in Form von Acetontrockenpulver wird die Biomasse einer voranstellend gewonnenen 120-Stunden-Kultur durch Separatoren bzw. Drehzellenfilter abgetrennt. 1 kg Feuchtmycel werden dann unter Rühren in 51 Aceton eingetragen. Nach 15minütigem Rühren bei Raumtemperatur wird das Aceton abfiltriert und der Myzelrückstand im Vakuumtrockenschrank bei einer Temperatur von 30°C bis 46⁰C getrocknet (Ausbeute (bezogen auf 1 kg Feuchtmyzelmasse]: 0,3kg Acetontrockenpulver bzw. Katalysator ATPM; katalytische Aktivität: 20 bis 40μΜοΙ Umsatz Saccharose/mi"/g Acetontrockenpulver des Myzelrückstandes).

c) Herstellung vr η Invertzucker

6kg Saccharose werden in 601 Wasser glöst und mit 0,3kg des in obigem Verfahrensschritt hergestellten Katalysators A ΓΡΜ versetzt. Nach 20stündiger Inkubation bei pH 7,0 ± 0,5 und bei 37 ⁰C unter Rühren ist die völlige Umwandlung von Saccharose in Glucoje und Fructose beendet. Nach dem Einrühren von 200g Aktivkohle (gepulvert) und Erwärmen auf 80⁰C für 10 bis 15 Minuten wird die Lösung filtriert.

Die erhaltene färb- und geruchlose Lösung kann direkt für Süßungszwecke eingesetzt oder zwecks Gewinnung von Lösungen mit erhöhtem Zuckeranteil (Sirup) weiter eingeengt werden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung von Invertzucker durch enzymatische Spaltung von Saccharose, gekennzeichnet dadurch, daß die Saccharose in wäßriger Lösung in Gegenwart des neuen Biokatalysators ATPM inkubiert wird.

2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß

— für die Inkubation eine mit Biokatalysator ATPM versetzte wäßrige Saccharoselösung, bestehend aus 0,5 Gewichtsteilen ATPM auf 7,5 bis 15,0 Gewichtsteilen Saccharose in 100 Gewichtsteilen Wasser, eingesetzt,

— die Inkubation bei Temperaturen von 35°C bis 45°C für 10 Stunden bis 24 Stunden sowie bei neutralen pH-Werten durchgeführt und

— die entstandene Invertzucker-haltige Lösung durch Behandlung mit an sich bekannten Adsorbentien sowie Filtration gereinigt