DE102007022662A1

DE102007022662A1 - Phenolextrakte aus Ölsaaten

Info

Publication number: DE102007022662A1
Application number: DE102007022662A
Authority: DE
Inventors: Usha Dr. Thiyam; Peter Dr. Eisner; Klaus Dr. Müller; Michael Dr. Menner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-05-15
Filing date: 2007-05-15
Publication date: 2008-11-20
Also published as: WO2008138324A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung eines phenolhaltigen Extraktes aus einem pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterial, bei dem das pflanzliche, phenolhaltige Ausgangsmaterial in zerkleinerter Form bereitgestellt, bis auf einen Restölgehalt entölt und in einem wässrigen, wässrig-alkoholischen oder alkoholischen Lösungsmittel suspendiert wird. Dabei werden während eines kurzen Zeitraumes von weniger als 10 Minuten phenolhaltige Zellen des pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterials durch eine periodische Wechseldruckbelastung mechanisch aufgeschlossen. Der phenolhaltige Extrakt wird durch mechanische Abtrennung eines Überstands gewonnen. Durch geeignete Milieu- und Verfahrensbedingungen können insbesondere nicht oxidierte phenolische Verbindungen gewonnen werden. Der Anteil nicht phenolischer Verbindungen im durch das Verfahren gewonnenen Extrakt ist besonders gering.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft hochwirksame und native phenolische Verbindungen, die in Form von Extrakten aus Ölsaaten oder aus Presskuchen oder Schroten dieser Saaten nach der Speiseölgewinnung gewonnen werden.
Stand der Technik
Natürlich vorkommende phenolische Verbindungen sind sekundäre Pflanzenstoffe, die ein wichtiger Bestandteil pharmazeutischer Präparate sein können. In verschiedenen Studien wird die Bedeutung von phenolischen Verbindungen zur Vorbeugung koronarer Herzerkrankungen beschrieben oder es wird über andere positive Effekte von Phenolen zur Erhaltung der Gesundheit oder bei therapeutischen Anwendungen berichtet.
Phenolische Säuren, wie Kaffeesäure oder Gallensäure, Katechine, Flavone (z. B. Quercitin), Anthocyane, Isoflavone, Rosmanol und Rosmarinsäure sind weitgehend in ihren antioxidativen Eigenschaften untersucht. Die meist genutzten natürlichen Antioxidantien sind Tocopherole, die ebenfalls zu den phenolischen Substanzen gehören. Verschiedene kommerzielle Antioxidantien sind Extrakte oder Pulver aus Pflanzen, z. B. aus Rosmarin oder Salbei. Phenolische Verbindungen werden üblicherweise mit herkömmlichen verfahrenstechnischen Operationen gewonnen, z. B. in kontinuierlichen Verfahren wie Gegenstromextraktion und Gleichstromextraktion, aber auch in Batch-Verfahren.
Meist werden für die Extraktionen Lösemittel wie Methanol, Ethanol, Isopropanol, Aceton oder superkritisches CO₂ verwendet. Nur in wenigen Fällen wurde die rein wässrige Extraktion hydrophiler Phenolsäuren beschrieben. Ein Grund dafür ist der hohe Anteil nicht phenolischer Bestandteile, die zusammen mit den Phenolen extrahiert werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, hochreine Phenolextrakte aus Ölsaaten oder aus Rückständen der Speiseölerzeugung zu gewinnen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Gewinnung eines phenolhaltigen Extraktes aus einem pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterial gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
Im vorgeschlagenen Verfahren zur Gewinnung eines phenolhaltigen Extraktes aus einem pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterial wird das pflanzliche, phenolhaltige Ausgangsmaterial in zerkleinerter Form bereitgestellt, wird bis auf einen Restölgehalt entölt und wird in einem wässrigen, wässrig-alkoholischen oder alkoholischen Lösemittel suspendiert. Während eines kurzen Zeitraumes von weniger als 10 Minuten werden phenolhaltige Zellen des pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterials durch eine periodische Wechseldruckbelastung mechanisch aufgeschlossen. Durch den durch die Wechseldruckbelastung bedingten intensiven, mechanischen Energieeintrag ist die Phenolanreicherung bereits in der kurzen Zeit weitgehend, d. h. zu ≥ 90% bezogen auf eine maximal mögliche Ausbeute, abgeschlossen. Der phenolhaltige Extrakt wird durch mechanische Abtrennung eines Überstands gewonnen.
Der durch das Verfahren gewonnene hochreine Extrakt zeichnet sich durch einen besonders geringen Anteil nicht-phenolischer Verbindungen bzw. Stoffe aus. Dabei liegt der besondere Vorteil des Verfahrens darin, dass die phenolischen Verbindungen insbesondere schneller als Proteine extrahiert werden. Dadurch wird automatisch eine irreversible Anlagerung von Proteinen an die phenolischen Verbindungen vermieden, die zu einem Verlust der besonders vorteilhaften gesundheitsfördernden, antioxidativen Wirksamkeit der phenolischen Verbindungen führt.
Der besondere Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass sogar wässrige Lösemittel zur Extraktion phenolischer Verbindungen mit hoher Ausbeute eingesetzt werden können, ohne dass ein hoher Anteil nicht-phenolischer Stoffe mit extrahiert wird. Dabei ist besonders vorteilhaft, dass der Aufwand zur Reinigung des Extraktes hier deutlich reduziert werden kann, da Wasser als Lösemittel neutral, unschädlich für die Gesundheit und auch unproblematisch hinsichtlich der Entsorgung ist.
Ein weiterer besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass bedingt durch die hohe Extraktionsgeschwindigkeit die phenolischen Verbindungen bereits weniger Strukturänderungen durch Oxidation erfahren als bei anderen Extraktionsverfahren, die einen längeren Zeitraum zur Extraktion einer gleichen Phenolmenge benötigen.
Die Temperatur des Lösemittels und die Mischtemperatur in der Suspension soll dabei kleiner 10°C betragen. Vorzugsweise beträgt die Temperatur 5 +/ 2°C. Die Temperatur wird während des Zellaufschlusses kontrolliert bzw. durch Kühlung geregelt. Die niedrige Temperatur während des Extraktionsprozesses wirkt sich besonders günstig auf die Unterdrückung der Oxidation der phenolischen Verbindungen und auf die Minimierung des Anteils nicht phenolischer Komponenten im Extrakt aus.
Besonders vorteilhaft hat sich die Erzeugung einer Wechseldruckbelastung mit Druckdifferenzen zwischen 5·10⁸ und 10·10⁸ Pa (5 und 10 bar), vorzugsweise von 7·10⁸ Pa (7 bar) erwiesen.
Die Wechseldruckbelastung kann in besonders vorteilhafter Weise durch Einkopplung von Ultraschall erfolgen.
Besonders einfach und schnell ist die Anreicherung von Phenolen im Extrakt, wenn ein hoher mechanischer Energieeintrag erfolgt. Die Energiedichte liegt dabei um mindestens eine Größenordnung über der, die durch Rühren eingebracht werden kann. Die Energiedichte soll vorzugsweise zwischen 10⁸ und 10⁹ J/m³, besonders bevorzugt bei 5·10⁸ J/m³ liegen.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens wird während eines kurzen Zeitraums von 1 Minute mechanische Energie so eingetragen, dass eine Phenolanreicherung zu 80% abgeschlossen ist, bevor eine Konzentration nicht phenolischer Stoffe über einen Anteil von 1% ansteigt. Insbesondere kann eine Minimierung nicht phenolischer Komponenten im Extrakt durch den intensiven mechanischen Zellaufschluss in Verbindung mit niedrigen Temperaturen und der sehr kurzen Extraktionszeit erzielt werden.
Besonders gering ist die Anreicherung nicht-phenolischer Verbindungen im Extrakt, wenn die Leitfähigkeit des Lösemittels, insbesondere des verwendeten Wassers, kleiner als 1,5 μS/cm. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von Wasser mit einer Leitfähigkeit von 0,5 μS/cm erwiesen. Die Leitfähigkeit ist mit der Innenkonzentration korreliert.
Die Ausbeute phenolischer Verbindungen im Extrakt steigt mit kleiner werdendem Feststoff-Flüssigkeitsverhältnis s:l (solid:liquid). Besonders hoch ist die Ausbeute, wenn s:l < 1 vorzugsweise < 0,85 ist.
Das Verfahren kann besonders vorteilhaft weitergebildet werden, wenn weitere Milieubedingungen so gewählt werden, dass die Phenole während der Extraktion keine Strukturveränderungen durch Oxidation erfahren. Dann können durch das Verfahren besonders wertvolle phenolische Verbindungen gewonnen werden, deren Wirksamkeit bspw. als Antioxidantien nicht durch eine Oxidation während des Extraktionsprozesses eingeschränkt oder zerstört wurde. Phenolsäuren werden im alkalischen Milieu oxidiert, wobei Sauerstoffpartialdruck, Temperatur und Katalysatoren, wie Metalle oder Enzyme, die Oxidationsgeschwindigkeit beeinflussen. Besonders einfach kann die intakte Struktur wie die antioxidative Wirkung der phenolischen Verbindungen erhalten bleiben, wenn der pH-Wert des Lösemittels/Mediums kleiner als pH = 6 ist. Besonders vorteilhaft haben sich pH-Werte zwischen pH = 4 und pH = 5,5 erwiesen.
Als phenolhaltiges Ausgangsmaterial eignen sich beispielsweise Ölsaaten, Presskuchen oder Extraktionsschrote der Speiseölgewinnung. Die Saaten werden vor der Phenolgewinnung entölt. Dazu wird die direkte Entölung mit Lösemitteln oder die kombinierte Entölung aus einem Pressvorgang mit anschließender Lösemittelentölung eingesetzt. Die Saaten können vor der Entölung geschält und/oder flockiert werden. Werden Saaten geschält, so ist die Schalenfraktion in gleicher Weise zur Gewinnung von Phenolen verwendbar wie die Fruchtfleischfraktion. Der Restölgehalt im entölten Ausgangsmaterial soll < 6% sein, vorzugsweise < 2%. Der Restschalenanteil in Extraktionsschroten aus geschälten Saaten soll < 20% betragen, vorzugsweise < 10%.
Nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die flüssige und die feste Phase durch Zentrifugation getrennt. Der abgetrennte Feststoff kann erneut in einem frischen Medium suspendiert und unter definierten Bedingungen behandelt werden. Dieser Vorgang kann beliebig oft wiederholt werden.
Die mit dem Verfahren gewonnenen Extrakte enthalten in hoher Konzentration saateigene phenolische Verbindungen wie beispielsweise Sinapin, Sinapinsäure oder deren Derivate, Tannine, Ferulasäure, Kaffeesäure oder deren Derivate. Die Extrakte können als Antioxidantien für Lebensmittel oder Non-Food-Anwendungen oder zu pharmazeutischen Zwecken oder als Additiv in Pflanzenschutzmitteln genutzt werden.
Durch die gezielte Wahl der Milieubedingungen und der Verfahrensweise bei der Extraktion der phenolischen Verbindungen wird die gleichzeitige Extraktion von hohen Anteilen nicht phenolischer Substanzen vermieden. Der Reinigungsaufwand für die Phenolpräparate wird damit erheblich reduziert. Insbesondere ist der Aufwand für die Entfernung von Proteinen deutlich reduziert. Diese müssen aus dem Phenolextrakt entfernt werden, da sie mit den phenolischen Verbindungen reagieren können. Durch eine solche Reaktion würden die phenolischen Verbindungen ihr antioxidatives Potential verlieren. Proteine werden mit alkoholischen Lösemitteln gefällt und durch Filtration oder Zentrifugation vom Phenolextrakt abgetrennt.
Vorteile bei der Extraktion phenolischer Verbindungen unter Einfluss von Ultraschall bei unterschiedlichen, beispielhaften Ausgestaltungen des Verfahrens:

– Bei der Extraktion phenolischer Verbindungen mit organischen Lösemitteln bei Raumtemperatur unter Einfluss von Ultraschall können antioxidative Effekte von Sinapinsäurederivaten aus Rapssamen und aus Nebenprodukten der Senfölgewinnung aufgrund der höheren Extraktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen Extraktionsverfahren erhalten und genutzt werden.
– Bei der Extraktion in rein wässrigen Medien ist die Ausbeute phenolischer Verbindungen vergleichbar mit Phenolausbeuten bei wässrigalkoholischen Extraktionen.
– Höhere Reinheit, d. h. geringerer Anteil nicht phenolischer Stoffe im Extrakt in wässrigen Medien bei Einsatz von Ultraschall im Vergleich zur Extraktion ohne Ultraschall.

Ausführungsbeispiele
Zur Demonstration der Effizienz der oben genannten Einflussparameter wird die Herstellung von phenolhaltigen Extrakten an zwei Beispielen beschrieben.
In Beispiel 1 sind die Parameter so gewählt, dass mit rein wässrigen Extraktionen (mit mechanischem Zellaufschluss) vergleichbare Phenolausbeuten wie bei wässrig-alkoholischen Extraktionen (ohne mechanischen Zellaufschluss) erzielbar sind.
In Beispiel 2 wird durch die Wahl der Parameter gezeigt, dass bei gleicher Phenolausbeute wie in Beispiel 1 der Anteil nicht phenolischer Verbindungen im Extrakt ohne mechanischen Zellaufschluss und bei hoher Temperatur deutlich zunimmt.
Beispiel 1: Herstellung eines hoch phenolhaltigen Extraktes aus entöltem Rapsschrot
Das für die Phenolextraktion verwendete Schrot wurde industriell aus schwarzschaligem geschälten Raps hergestellt. Die Schalen werden durch Windsichtung vom Fruchtfleisch abgetrennt Der Schalenanteil in der Fruchtfleischfraktion beträgt 15%. Die Fruchtfleischfraktion wird mittels einer Flockierwalze auf eine Plättchendicke von 0,25 mm +/– 0,05 mm eingestellt. Die Rapsflocken werden mit Hexan entölt. Der Restfettgehalt im Extraktionsschrot beträgt ca. 2%.
10 g des entölten Schrotes werden in 100 ml Wasser von 5°C suspendiert und drei Minuten mit Ultraschall (Stativgerät, 400 W, 24 kHz) behandelt. Danach wird der Ansatz zentrifugiert. Der Überstand der Zentrifugation ist der phenolhaltige Extrakt mit einer Phenolkonzentration von ca. 7–12 mg/g. Die phenolischen Substanzen bestehen dabei zu ca. 58% aus Sinapin und zu ca. 10% aus Sinapinsäure.
In wässrig-alkoholischen Extraktionen (z. B. 70% Methanol, 70% Ethanol oder 70% Isopropanol) enthält der Überstand der Zentrifugation ca. 9–15 mg/g phenolische Verbindungen. Auch hier bestehen die phenolischen Substanzen zu ca. 58% aus Sinapin und zu ca. 10% aus Sinapinsäure.
Beispiel 2: Herstellung eines phenolhaltigen Extraktes aus entöltem Rapsschrot
Als Ausgangsmaterial der Phenolgewinnung wird das gleiche Rapsschrot verwendet wie in Beispiel 1 beschrieben. 10 g des entölten Schrotes werden in 100 ml Wasser von 25°C suspendiert und 30 Minuten mit einem Magnetrührer gerührt.
Danach wird der Ansatz zentrifugiert. Der Überstand der Zentrifugation ist der phenolhaltige Extrakt mit ca. 7–12 mg/g phenolischen Substanzen. Der Anteil nicht-phenolischer Verbindungen beträgt dabei ca. 50%. Im Gegensatz dazu beträgt der Anteil nicht-phenolischer Stoffe bei der Extraktion mit vorangehendem mechanischen Zellaufschluss und niedriger Temperatur (Beispiel 1) ca. 32%.
Der intensive mechanische Energieeintrag durch Ultralschall bewirkt, dass nach 1 Minute Ultraschallbehandlung im Extrakt etwa die gleiche Phenolkonzentration erreicht wird wie bei einem 30 minütigen Rührprozess.

Claims

Verfahren zur Gewinnung eines phenolhaltigen Extraktes aus einem pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterial, bei dem das pflanzliche, phenolhaltige Ausgangsmaterial in zerkleinerter Form bereitgestellt, bis auf einen Restölgehalt entölt und in einem wässrigen, wässrig-alkoholischen oder alkoholischen Lösemittel suspendiert wird, wobei während eines kurzen Zeitraumes von weniger als 10 Minuten phenolhaltige Zellen des pflanzlichen, phenolhaltigen Ausgangsmaterials durch eine periodische Wechseldruckbelastung mechanisch aufgeschlossen werden und wobei der phenolhaltige Extrakt durch mechanische Abtrennung eines Überstands gewonnen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass die Temperatur des Lösemittels < 10°C, vorzugsweise 5 +/– 2°C, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet dadurch, dass die Wechseldruckbelastung mit Druckdifferenzen zwischen 5·10⁸ und 10·10⁸ Pa, vorzugsweise 7·10⁸ Pa, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet dadurch, dass die Wechseldruckbelastung durch Einkopplung von Ultraschall in die Suspension erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 5, gekennzeichnet dadurch, dass ein mechanischer Energieeintrag mit einer Energiedichte zwischen 10⁸ und 10⁹ J/m³, vorzugsweise von 5·10⁸ J/m³ erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, dass während eines Zeitraumes von 1 min mechanische Energie so eingetragen wird, dass eine Phenolanreicherung zu wenigstens 80% abgeschlossen ist, bevor eine Konzentration nicht phenolischer Stoffe über einen Anteil von 1% ansteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, dass die elektrische Leitfähigkeit des Lösemittels auf einen Wert < 1,5 μS/cm, vorzugsweise auf einen Wert < 0,5 μS/cm, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet dadurch, dass für die Extraktion der phenolhaltigen Verbindungen ein Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis < 1, vorzugsweise < 0,85, der Suspension gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 9, gekennzeichnet dadurch, dass der pH-Wert des wässrigen Lösemittels auf einen Wert < 6, vorzugsweise auf einen Wert zwischen 4 und 5,5, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet dadurch, dass der Restölgehalt < 6%, vorzugsweise < 2%, gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass als Ausgangsmaterial Ölsaaten eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet dadurch, dass die Ölsaaten vor der Entölung geschält und/oder flockiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, gekennzeichnet dadurch, dass die phenolhaltigen Verbindungen sowohl aus einer Schalenfraktion als auch aus einer Fruchtfleischfraktion der Ölsaaten gewonnen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, gekennzeichnet dadurch, dass ein Restschalenanteil in einem Ausgangsmaterial aus geschälten Ölsaaten < 20%, vorzugsweise < 10%, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet dadurch, dass als Ausgangsmaterial Presskuchen oder Extraktionsschrote aus einer Speiseölgewinnung eingesetzt werden.