Unterschiedlichste
Verfahren zur Herstellung konjugierter Linolsäure sind dem Fachmann geläufig. Bei
der konjugierten Linolsäure,
auch unter der Abkürzung
CLA (conjugated linoleic acid) bekannt, handelt es sich um isomere
Formen der Linolsäure
mit konjugierten anstelle von nicht konjugierten Doppelbindungen.
Als konjugierte Linolsäure
treten gewöhnlich
in Produkten wie Milch, Käse
oder Sojaöl die
cis-9, trans-11- und die trans-10, cis-12-Isomeren am häufigsten
auf. Studien haben ergeben, daß konjugierte
Linolsäure
in Form des trans-10, cis-12-Isomeren eine Verringerung des Fettanteils
im Gewebe bewirkt und gleichzeitig den Muskelaufbau unterstützt. Konjugierte
Linolsäure
in Form des cis-9,trans-11-Isomeren wirkt als Mutageninhibitor und
hilft, das Krebsrisiko zu verringern bzw. vollständig zu eliminieren, Herzkrankheiten
zu verhindern und das Immunsystem zu stärken (L.D. Whigham et al. Pharmacol.
Res. 42 (2000) 503).
Konjugierte
Linolsäure
hat als Nahrungszusatzstoff mittlerweile eine große Bedeutung
erlangt. Herkömmliche
Verfahren zur Herstellung konjugierter Linolsäure gehen von Linolsäure (cis-9,cis-12-Octadecadiensäure) aus
und stellen im Ergebnis Isomerisierungsreaktionen dar. Grundsätzlich können z.B. als
Isomerisierungsprodukte die cis,cis-, trans-,trans-, cis,trans-
und- trans,cis-Isomeren der 7,9-, 8,10-, 9,11-, 10,12- und 11,13-Octadiensäure anfallen.
Seit
längerem
ist bekannt, konjugierte Linolsäure
durch Isomerisierung von Linolsäure
unter Erhitzung in Anwesenheit von Alkali erhalten zu können (
DE 23 52 498 C2 ).
Gemäß
US 6,316,645 B1 sollen aus
Linolsäure
in Gegenwart extrem starker Basen wie sec-Butyllithium oder der
Schlosser-Base ausschließlich
die cis-9,trans-11- und trans-10,cis-12-Isomeren der konjugierten
Linolsäure zugänglich sein.
Anstelle
von der freien Linolsäure
auszugehen, schlägt
die
DE 102 59 157
A1 vor, deren Niedrigalkylester in Gegenwart von Alkalialkoholaten
wie Kaliummethanolat, Kaliumethanolat oder Kalium-t-butylat zu isomerisieren.
Bei
den vorangehend dargestellten Verfahren sind die verwendeten starken
Basen aufwendig in der Handhabung und zudem nicht unproblematisch vollständig aus
dem erhaltenen Produktgemisch zu entfernen. Da die konjugierten
Linolsäureisomere
regelmäßig in Lebensmittelprodukten
eingesetzt werden, dürfen
selbstverständlich
in der isolierten und gereinigten konjugierten Linolsäure selbst
geringste Spuren an basischen Materialien nicht mehr nachweisbar
sein. Gestaltet sich die Herstellung bzw. Aufreinigung der konjugierten
Linolsäure
schwierig, kommt das angewendete Verfahren für eine wirtschaftliche Verwertung
kaum noch in Betracht. Ein weiterer Nachteil ist, daß starke
Basen wie Kaliumhydroxid oder Natriummethoxid bei den genannten
Verfahren im großen Überschuß eingesetzt
werden müssen.
Das
Problem der Abtrennbarkeit des Isomerisierungskatalysators bei der
Herstellung konjugierter Linolsäure
stellt sich im übrigen
auch bei Verwendung homogener Übergangsmetallverbindungen
wie Tris-triphenylphosphinrhodiumchlorid und Arenchromiumcarbonyl-Komplexen (A. Bernas
et al. ChemComm, 23. April2002).
Hingegen
sollen sich heterogene Isomerisierungskatalysatoren auf Metallbasis
auf einfache Weise von dem Reaktionsgemisch abtrennen lassen und zudem
wiederverwendbar sein.
Wie
Bernas et al., Ind. Eng. Chem. Res., Vol. 42, No. 4, 2003, 718 bis
727, herausgefunden haben, lassen sich unter den getesteten Ruthenium-,
Nickel-, Platin-, Palladium-, Rhodium-, Iridium-, Osmium- und bimetallischen
Platin/Rhodium-Katalysatoren für
Linolsäure
die zufriedenstellendsten Isomerisierungsergebnisse mit geträgerten Ruthenium-,
Nickel- und Platin-Katalysatoren erzielen. Als besonders wirksam
haben sich hierbei die Systeme Ru/C, Ru/Al2O3 und Ni/H-MCM-41 erwiesen. Diese geträgerten Katalysatoren
sind zuvor mit Wasserstoff zu behandeln, um die gewünschten
Isomerisierungen der nicht-konjugierten Doppelbindungen der Linolsäure bewirken
zu können.
In Abhängigkeit
des gewählten
Metalls, des Trägermaterials,
der Aktivierungsdauer, der Reaktionszeit, der Temperatur, des Druckes
und der gewählten
Lösungsmittel,
um nur einige Einflußfaktoren
zu nennen, werden gemäß Ber nas
et al., ibid., unterschiedlichste Isomerisierungsgemische an konjugierter
Linolsäure
erhalten. Als weitere Bestandteile des Reaktionsgemisches treten
die partiell hydrierten Fettsäuren
Oleinsäure, Elaidinsäure und
cis-Vaccensäure,
enthaltend nur noch eine Doppelbindung in der Kohlenstoffkette,
sowie die vollständig
hydrierte Form der Linolsäure, Stearinsäure, auf.
Bernas et al. haben gefunden, daß bei Verwendung von einem
mit Wasserstoff aktivierten Ru/Al2O3-Katalysator die Bildung des cis-9,trans-11-Isomeren
der konjugierten Linolsäure bevorzugt
ist. Die unerwünschte
Bildung partiell oder vollständig
hydrierter Fettsäuren
ist bei den vorangehend genannten Katalysatorsystemen in Kauf zu nehmen.
Diese Katalysatoren werden regelmäßig auch zur Hydrierung von
Fettsäuren
eingesetzt (Y. Kitayama et al., JAOCS, Vol. 73, No. 10 (1996), 1311 bis
1316; JAOCS, Vol. 74, No. 5 (1997), 525 bis 529).
Shimizu
et al., Applied Catalysis A: General 228 (2002), 75 bis 82, konnten
zeigen, daß sich
auch mit mittels Wasserstoff aktiviertem Iridiumpulver, entweder
wenn als solches eingesetzt oder wenn geträgert auf nicht porösem Siliciumdioxid
vorliegend, Linolsäure
in konjugierte Linolsäure überführen läßt.
Jo
und Jung, J. Agricultural and Food Chemistry, 2003, haben gefunden,
daß bei
der Hydrierung von Sojabohnenöl
in Gegenwart von Schwefel unter Einsatz eines nicht selektiven,
geträgerten
Nickelkatalysators die Bildung konjugierter Linolsäure gefördert wird.
Interessanterweise
kann auch über
die Wahl der für
die Herstellung des mit Wasserstoff aktivierten Ruthenium/Al2O3-Katalysators
verwendeten Rutheniumausgangsverbindungen Einfluß auf das Isomerenverhältnis der
konjugierten Linolsäure
genommen werden. Nach Bernas et al., Applied Catalysis A: General
267 (2004), 121 bis 133, ist, wenn γ-Al2O3 mit Ruthenium(III)-acetylacetonat anstelle
von Ruthenium(III)-chlorid-Trihydrat imprägniert wird, das trans-10,cis-12-Isomere
der konjugierten Linolsäure mit
höherer
Selektivität
zugänglich.
Die Reaktion hat unter kinetischer Kontrolle bei 165°C in n-Decan-Lösung durchgeführt zu werden.
Ein
wesentlicher Nachteil aller eingesetzten Ruthenium-Katalysatoren
besteht in der Notwendigkeit einer sehr spezifischen Vorbehandlung
mit Wasserstoff, dessen Konzentration an der Oberfläche (chemisorbierter
Wasserstoff) das Verhältnis
von Isomerisierung (zu CLA) und Hydrierung (zu partiell oder vollständig hydrierten
Fettsäuren)
bestimmt. Die gewünschte
Isomerisierung wird nur katalysiert, wenn der Ruthenium-Katalysator
in kontrollierter Weise mit geringen Mengen an Wasserstoff beladen,
d.h. prä-aktiviert
und die sich anschließende
Umsetzung der Linolsäure
in Anwesenheit von Intergasen, z.B. Stickstoff, durchgeführt wird.
Die
vorangehend geschilderten Verfahren zur Herstellung von konjugierter
Linolsäure
aus Linolsäure
sind noch stets mit weiteren Nachteilen behaftet. Entweder läßt sich
der Katalysator nicht oder nur mit großem Aufwand aus dem Reaktionsgemisch entfernen
oder es werden große
Anteile an partiell und/oder vollständig hydrierter Linolsäure gebildet. Auch
die erhaltenen Selektivitäten
sind nicht immer optimal. Da Nickel-Katalysatoren für den Menschen bereits
in geringen Dosen toxisch sind, kommt es für die Herstellung konjugierter
Linolsäure
als Lebensmittelzusatzstoff, auch wenn als geträgerter Katalysator vorliegend
nur bedingt in Frage.
Der
vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Herstellung von konjugierter Linolsäure ausgehend von Linolsäure zur
Verfügung
zu stellen, das nicht mit den Nachteilen des Stands der Technik
behaftet ist und mit hoher Selektivität und in hohen Ausbeuten insbesondere die
cis-9,trans-11- und trans-10,cis-12-Isomeren der konjugierten Linolsäure zugänglich macht.
Darüber hinaus
lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verfahrenstechnisch
einfaches Verfahren zur Herstellung konjugierter Linolsäure zur
Verfügung
zu stellen, dessen zum Einsatz kommende Komponenten für die Lebensmittelherstellung
unbedenklich sind.
Demgemäß wurde
ein Verfahren gefunden zur Herstellung von konjugierten Fettsäuren und Fettsäurederivaten
durch Isomerisierung der nicht-konjugierten Fettsäuren bzw.
nicht- konjugierten Fettsäurederivate,
bei dem man die nicht-konjugierte Fettsäure und/oder das nicht-konjugierte
Fettsäurederivat
mit mindestens einem geträgerten
Silberkatalysator behandelt und das erhaltene Reaktionsprodukt isoliert,
wobei der geträgerte
Silberkatalysator, bevor dieser mit der nicht-konjugierten Fettsäure bzw.
dem nicht-konjugierten Fettsäurederivat
zusammengebracht wird, mit Wasserstoff aktiviert worden ist und/oder
wobei die Umsetzung der nicht-konjugierten Fettsäure und/oder des nicht-konjugierten Fettsäurenderivats
zumindest phasenweise in Gegenwart von Wasserstoff vorgenommen wird.
Die nicht-konjugierten Fettsäuren
bzw. Fettsäurederivate können sowohl
in reiner Form als auch als Bestandteil einer Mischung eingesetzt
werden. Selbstverständlich
können
auch mehrere nicht-konjugierte Fettsäuren und/oder mehrere unterschiedliche nicht-konjugierte
Fettsäurederivate
nebeneinander vorliegen. Geeignete nicht-konjugierte Fettsäurederivate
umfassen beispielsweise die Salze der freien Fettsäure, Ester,
Amide, Anhydride, Nitrile oder Sulfonate oder deren Mischungen.
Geeignete nicht-konjugierte Fettsäuren umfassen z.B. auch die
dreifach ungesättigte
Linolensäure,
die vierfach ungesättigte Arachidonsäure und
die fünffach
ungesättigte
Eicosapentaensäure
sowie synthetische nicht-konjugierte Fettsäuren. Besonders bevorzugt wird
als nicht-konjugierte
Fettsäure
auf Linolsäure
zurückgegriffen.
Als Linolsäurederivate
kommen z.B. Linolsäureester,
wie der Methyl-, Ethyl oder i-Propylester, Amide oder Nitrile in
Betracht.
Unter
einer nicht-konjugierten Fettsäure
bzw. einem nicht-konjugierten Fettsäurederivat soll im Sinne der
vorliegenden Erfindung eine solche Verbindung verstanden werden,
die im langkettigen Fettsäureteil
mindestens zwei durch zwei benachbarte Einfachbindungen getrennte
Kohlenstoffdoppelbindungen enthält.
Diese nicht-konjugierten Doppelbindungen können über den Horiuti-Polanyi-Mechanismus
in Gegenwart von Übergangsmetallkatalysatoren
und Wasserstoff in konjugierte Doppelbindungen überführt werden (A. Bernas et al.,
ChemComm, 23. April 2002). Hierbei sind jeweils vielfältige geometrische
Isomere sowie Positionsisomere möglich.
Linolsäure kann
entweder in reiner Form oder in einem Gemisch vorliegend eingesetzt
werden. Linolsäure
kommt z.B. als Bestandteil von Pahnöl, Erdnussöl, Baumwollsaatöl, Sojaöl, Sonnenblumenöl, Leinöl und Rüböl vor. Linolsäure als
solche wie auch die vorangehend genannten Gemische sind im Handel
ohne weiteres erhältlich.
Als
Träger
für den
Silberkatalysator kann z.B. zurückgegriffen
werden auf Kohlenstoff, Oxide eines oder mehrerer Metalle der Gruppen
IIA bis VA sowie IB bis VIIB und VIII des Periodensystems, Karbonate,
Sulfate, Zeolithe, organofunktionelle Polysiloxane oder Ionenaustauscherharze,
z.B. in Form von Pulvern oder geformten Körpern.
Bevorzugt
kommen geträgerte
Systeme auf Basis von SiO2 und TiO2 zum Einsatz. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß das
Trägermaterial
Siliciumdioxid umfasst. Solche geeigneten geträgerten Silberkatalysatoren
sind z.B. bei P. Claus et. al., J. Phys. Chem. B, 103 (1999) 2766-2775,
und P. Claus et. al., J. Phys. Chem. B, 108 (2004) 5709-5717, beschrieben.
Für die
Herstellung geträgerter
Silberkatalysatoren können
demnach unterschiedlichste Verfahren wie Imprägnierung, Sol/Gel-Verfahren
oder Fällung
eingesetzt werden. Bei der Imprägnierung
wird im allgemeinen Silica mit einer wässrigen Lösung an Silbernitrat behandelt
und nach einem Trocknungs- und Calcinierungsschritt in Gegenwart
von Wasserstoff reduziert. Beispielsweise kann auch Titandioxid
mit Silbernitrat imprägniert
werden. Nach einem Trockungs- und Calcinierungsschritt erhält man den
mit Titandioxid geträgerten
Silberkatalysator mittels Reduktion in Gegenwart von Wasserstoff.
Geeignetes Titandioxid kann sich z.B. aus Anatas und/oder Rutil
zusammensetzen. Bei dem Fällungsverfahren
wird üblicherweise Silbernitrat
zu einer Suspension an Silica gegeben. Nach Erwärmen wird zwecks Niederschlagsbildung eine
Lösung
an Natriumhydroxid hinzugefügt.
Der erhaltene Katalysatorvorläufer
wird nach einem Trocknungsschritt reduziert. Bei der Sol/Gel-Technik wird in der
Regel zunächst
Tetraethoxyorthosilicat in Gegenwart von Silbernitrat in einem Lösungsmittelgemisch,
enthaltend Ethanol, Wasser und Salpetersäure oder Ammoniak gelöst und unter
sauren, neutralen oder basischen Bedingungen hydrolysiert und geliert. Unter refluxierenden
Bedingungen erhält
man aus der homogenen Mischung ein festes, chemisch homogenes Xerogel,
das nach Lagerung und Calcinierung in Gegenwart von Wasserstoff
reduziert wird. Bei dem vorangehend genannten Präparationsmethoden kann zusätzlich oder
alternativ zu Silbernitrat auch z.B. auf Silberlactat zurückgegriffen
werden.
Den
geschilderten bevorzugten Trägerungsverfahren
ist gemein, daß man
das Silber in sehr fein verteilter Form auf dem Trägermaterial
vorliegend erhält.
Bevorzugt
wird der geträgerte
Silberkatalysator vor seiner Umsetzung mit einer nicht-konjugierten Fettsäure wie
Linolsäure
mit Wasserstoff beladen bzw. aktiviert. Diese Aktivierung findet
vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 50 – 500 °C und Wasserstoffdrücken im
Bereich von 0,1 MPa – 30 MPa
und vorzugsweise im Bereich von 0,1 MPa – 10 MPa statt. Die Aktivierungsdauer
ist in weiten Bereichen variierbar und liegt im allgemeinen im Bereich von
0,5 bis 20 h. Vielfach reichen auch bereits Zeiträume im Bereich
von 0,5 bis 3 h aus. Besonders bevorzugte Resultate hinsichtlich
Umsatz und Selektivitäten
stellen sich dann ein, wenn der mit Wasserstoff aktivierte, geträgerte Silberkatalysator
in Gegenwart von Wasserstoff mit Linolsäure umgesetzt wird. Hierbei
reicht es aus, wenn Wasserstoff während dieses Reaktionsschritts
nur phasenweise zugegen ist. Bevorzugt ist Wasserstoff während dieses
Reaktionsschrittes während
des größten Teils
der Reaktionsdauer, d.h. für
mehr als die Hälfte
der Reaktionszeit, insbesondere im wesentlichen während der
gesamten Reaktionszeit zugegen.
Der
Aktivierungsschritt kann sowohl an dem geträgerten Silberkatalysator, auf
dem Silber als solches vorliegt, als auch an der Vorstufe des geträgerten Katalysators,
bei der das Silber teilweise oder vollständig in oxidierter Form vorliegt,
vollzogen werden. In letzterem Fall umfaßt die Aktivierung die Reduktion
zu Ag(0) oder stellt diese dar. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn, insbesondere vor Aufnahme der Isomerisierung, Wasserstoff
gebunden an der Silberoberfläche
des geträgerten
Katalysators vorliegt. Man spricht in diesem Fall auch davon, daß der Katalysator
mit Wasserstoff beladen ist.
Selbstverständlich ist
es ebenfalls möglich, die
beschriebene Vorstufe des geträgerten
Silberkatalysators unmittelbar im Isomerisierungsschritt einzusetzen,
so daß die
Reduktion des oxidiert vorliegenden Silbers und gegebenenfalls die
Beladung der Silberoberfläche
mit Wasserstoff in Gegenwart der zu isomerisierenden ungesättigten
Fettsäureverbindung stattfindet.
Gemäß einer
Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann bzw. können der Aktivierungsschritt
und/oder der Isomerisierungsschritt nicht nur, wie bereits geschildert,
in Gegenwart reinen Wasserstoffs, sondern ebenfalls in Gegenwart eines
Wasserstoff/Inertgas-Gemisches
durchgeführt werden.
Geeignete Inertgase umfassen z.B. Stickstoff, Helium, Argon oder
Xenon.
Für die Isolierung
der konjugierten Fettsäuren,
z.B. der konjugierten Linolsäure
aus dem erhaltenen Produktgemisch stehen dem Fachmann gängige Verfahren
zur Verfügung.
Ferner
kann vorgesehen sein, daß die
Umsetzung der nicht-konjugierten Fettsäuren bzw. Fettsäurederivate
zu den konjugierten Systemen bei Temperaturen im Bereich von 25 – 500°C, bevorzugt im
Bereich von 80 – 300°C und besonders
bevorzugt im Bereich von 100 – 250°C und/oder
bei einem Druck im Bereich von 0,1 – 50 MPa, bevorzugt im Bereich
von 0,1 – 30
MPa und besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 – 10 MPa durchgeführt wird.
Bevorzugt
sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
die cis-9-trans-11-, trans-10, cis-12- und trans-9, trans-11-Isomeren der
konjugierten Linolsäure
zugänglich.
Das
erfindungsgemäße Isomerisierungsverfahren
kann sowohl kontinuierlich als auch diskontinuierlich, z.B. im Batch-
oder Semi-Batch-Verfahren durchgeführt werden. Geeignete Reaktortypen
umfassen den Suspensionsreaktor, z.B. in Form eines Rührreaktors,
den Rohrreaktor, den Tricklebett- bzw. Rieselbettreaktor, den Sumpfphasenreaktor
bzw. gepackten Aufstromblasensäulenreaktor
und den Monolith-Reaktor, enthaltend z.B. eine Vielzahl an Durchgängen oder
Kanälen.
Ein
weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor, daß die Isomerisierung in einem
inerten organischen Lösungsmittel
oder in einem überkritischen
Lösungsmittel
durchgeführt
wird. Geeignete inerte Lösungsmittel
umfassen flüssige
Kohlenwasserstoffe, auch in partiell oder perhalogenierter Form,
sowie flüssige Alkohole
wie Octanol und Ether. Von besonderer Bedeutung ist eine solche
Verfahrensvariante, bei der als inertes organisches Lösungsmittel
n-Decan verwendet wird.
Als überkritische
Lösungsmittel
kommen insbesondere überkritisches
Kohlendioxid, Stickstoffinonoxid, Distickstoffmonoxid, Propan oder
Pentan oder binäre
oder ternäre
Gemische hiervon in Betracht.
Der
vorliegenden Erfindung lag die überraschende
Erkenntnis zugrunde, daß sich
mit geträgerten
Silberkatalysatoren hohe Selektivitäten und Ausbeuten bei der Herstellung
konjugierter Fettsäuren und
konjugierter Fettsäurederivate,
insbesondere von konjugierter Linolsäure, ausgehend von den entsprechenden
nicht-konjugierten Systemen erhalten lassen. Überraschenderweise stellen
sich diese Ergebnisse nicht nur ein, wenn der geträgerte Silberkatalysator
mit Wasserstoff prä-aktiviert
worden ist, sondern auch dann, wenn zumindest ein Großteil der Isomerisierungsreaktion
in Gegenwart von Wasserstoff durchgeführt wird. In beiden Fällen wird
z.B. bei der Linolsäure
hauptsächlich
die Bildung der cis-9,trans-11-, trans-10,cis-12-und trans-9,trans-11-Isomeren der konjugierten
Linolsäure
beobachtet. Die partiell bzw. voll ständig hydrierten Fettsäuren Ölsäure und
Stearinsäure
treten, selbst wenn Wasserstoff während der gesamten Reaktionsdauer
zugegen ist, nur in untergeordneten Mengen auf.