DE102016112048A1

DE102016112048A1 - Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure und/oder Phytat aus Getreide

Info

Publication number: DE102016112048A1
Application number: DE102016112048.0A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Bretz; Hans-Jürgen Körner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: DE102016112048B4

Abstract

Die Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure und/oder Phytat aus Getreide. Zunächst werden hierfür ein aus Getreide gewonnenes Ausgangsmaterial, das Phytinsäure und/oder Phytat enthält, sowie eines oder mehrerer Enzyme bereitgestellt. Das Ausgangsmaterials wird in einem Lösungsmittel dispergiert und mit mindestens einem Enzym kontaktiert, so dass eine Hydrolyse erfolgt und aus dem Ausgangsmaterial Phytinsäure und/oder Phytat freigesetzt wird. Die erhaltenen Produkte werden aufgetrennt, wobei insbesondere freigesetzte Phytinsäure als Phytat ausgefällt wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure und/oder Phytat aus Getreide. Ferner betrifft die vorliegende Anmeldung auch die Gewinnung weiterer Wertstoffe, die neben der Phytinsäure bzw. dem Phytat bei diesem Verfahren isoliert werden können.
Phytinsäure und Phytate finden sich in einer Vielzahl von Pflanzen, insbesondere in Getreide und Ölsaaten. Zu nennen sind insbesondere Ölsaaten wie Raps, Leindotter, Sonnenblume und Sesam, Leguminosen wie Erdnüsse und Soja und Getreide wie Mais (Zea mays), Weizen (Triticum), Gerste (Hordeum vulgare), Roggen (Secale cereale) und Reis (Oryza sativa).
Die bei der Getreideverarbeitung nach Absieben des Mehles zurückbleibenden Rückstande aus Schalen (Samenschale, Fruchtschale), der Aleuronschicht und dem Keimling werden als Kleie bezeichnet. Getreidekörner enthalten Phytinsäure insbesondere in den genannten Randschichten und im Keimling. Infolgedessen ist der Gehalt in Kleie besonders hoch.
Wesentliche Bestandteile der Kleie sind hauptsachlich die Nichtstärke-Kohlenhydrate Cellulose und Hemicellulose. Daneben enthält sie Vitamine, Eiweiße, Mineralstoffe, Öl und die genannte Phytinsäure. Kleie hat nur beschrankte Einsatzbereiche; sie wird insbesondere im Bereich der Futtermittel aber seit einiger Zeit auch für die menschliche Ernährung verwendet. Einige der lnhaltsstoffe der Kleie besitzen aber ein erhebliches Potenzial in den Anwendungsgebieten wie Kosmetik, Pharma, Food und Chemie.
Phytinsäure hat die nachfolgend abgebildete Formel, ist also der Hexaphosphorsäureester des myo-Inositols.
In der Wissenschaft wird allerdings der Einfluss von Phytinsäure auf die Ernährung diskutiert, da Phytinsäure und deren Salze im Darm Mineralstoffe und Vitamine binden könnten und dadurch die Verwertung dieser Stoffe für die Ernährung verhindert würde. Die Landwirtschaftskammer Nordrhein-Westfahlen empfiehlt bei der Schweinemast mit Rapsprodukten, beispielsweise Presskuchen oder Extraktionsschrot aus der Ölherstellung, eine Mischung mit anderen Futtermitteln und von Phytase, um die Verdaulichkeit zu verbessern. Auch im Presskuchen und Extraktionsschrot enthaltene Bitterstoffe wie Glucosinolate können bei zu hohen Gehalten das Futteraufnahmevermögen von Schweinen beeinträchtigen.
Auf der anderen Seite werden Phytinsäure und deren Salze in der Medizin eingesetzt, etwa zur Vorbeugung gegen Diabetes, Nierensteine, Parkinson oder Krebserkrankungen. Durch seine Wirkung als Antioxidans kann Phytinsäure auch in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz kommen, da die Bildung von Hydroxy-Radikalen unterdrückt wird und außerdem durch Chelatierung auch die katalytische Wirkung von Fe²⁺-Ionen verhindert oder vermindert wird. Durch die sechs Phosphatgruppen besitzt Phytinsäure generell ein enormes Chelat-Potenzial und auch antikorrosive Eigenschaften. Auch Einsatzmöglichkeiten bei der Wasserenthärtung oder der Gewinnung von Edelmetallen und seltenen Erden bestehen daher.
Trotz des Marktpotenzials von Phytinsäure existieren nach dem Stand der Technik nur wenige Verfahren zu deren Abtrennung bzw. Wiedergewinnung, wobei aufgrund der im Ernährungsbereich ungünstigen Eigenschaften der Phytinsäure der Fokus häufig nur auf die Abtrennung dieser gegebenenfalls unerwünschten Substanz gerichtet ist.
Die WO 2013/001043 A2 offenbart ein Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure aus Rapspresskuchen, bei dem zunächst eine Extraktion mittels eines Extraktionsmittels erfolgt und die in diesem Extraktionsmittel enthaltenen löslichen Bestandteile nachfolgend mit einem Anionenaustauscher kontaktiert werden. Die Aufarbeitung hierbei erfolgt rein nasschemisch, ohne dass eine weitergehende Wertschöpfung erfolgen kann.
Die WO 2015/155010 A1 beschreibt ebenfalls ein nasschemisches Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure aus Ölsaaten. Hierbei werden die Ausgangsmaterialien zerkleinert, in Wasser dispergiert und nach Einstellen eines basischen pH-Wertes mit einem wasserlöslichen Alkohol versetzt. Nach Abtrennen der Feststoffe aus diesem Gemisch wird aus den Feststoffen die Phytinsäure isoliert, indem sie durch Zusatz verdünnter Säure in Lösung gebracht wird und durch Anheben des pH-Werts auf pH > 5 wieder ausgefällt wird.
Die WO 94/12038 betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Stabilisierung von Reiskleie, indem ein Anti-Lipase-Enzym zugesetzt wird, das ein Ranzigkeit verursachendes Lipaseenzym deaktiviert. Nach Filtration des erhaltenen Gemischs wird als Nebenprodukt ein Permeat erhalten, das Phytin, Mineralstoffe, Vitamine, Proteine, Fette und Zucker enthält und zur Verwendung als isotonisches Getränk geeignet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Stands der Technik zu überwinden und ein verbessertes Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure aus Getreide anzugeben. Insbesondere sollte das Verfahren in bereits etablierte Industrieprozesse integriert werden können und unabhängig hiervon auch höhere Ausbeuten liefern als die Verfahren nach dem Stand der Technik. Daneben besteht eine weitere Aufgabe darin, neben der Gewinnung von Phytinsäure aus den Ausgangsmaterialien möglichst viele weitere Wertstoffe zu isolieren und den nach Abtrennung der Wertstoffe verbleibenden Rest als Futtermittel nutzbar zu machen.
Zumindest eine dieser Aufgaben wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Unteransprüche und die Beschreibung lehren vorteilhafte Weiterbildungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure und/oder Phytat aus Getreide umfasst folgende Schritte:

A) Zunächst wird ein aus Getreide gewonnenes Ausgangsmaterial, das Phytinsäure und/oder Phytat enthält, bereitgestellt, insbesondere bereits zerkleinertes Ausgangsmaterial oder beim Mahlen von Getreide anfallende Kleie. Daneben wird zumindest ein Enzym bereitgestellt.
B) Das bereitgestellte Ausgangsmaterial wird in einem Lösungsmittel dispergiert, wobei insbesondere maximal 25 Gew.-% Ausgangsmaterial (bezogen auf die Masse des Lösungsmittels) eingesetzt werden, da sonst meist eine zu hohe Viskosität des erhaltenen Gemischs resultiert. Als Lösungsmittel wird hierbei im Regelfall ein wässriges Lösungsmittel eingesetzt. Im Grundsatz sind aber auch nicht wässrige Lösungsmittel denkbar.
C) Das so dispergierte Ausgangsmaterials wird mit mindestens einem Enzym in Kontakt gebracht, wobei das Ausgangsmaterial hydrolysiert wird und aus dem Ausgangsmaterial Phytinsäure freigesetzt wird. Die Phytinsäure geht dabei in Lösung, sofern der pH-Wert niedrig genug ist. Gegebenenfalls kann dies durch Absenken des pH-Werts auf pH < 5 erfolgen. Um eine vollständige Lösung der Phytinsäure zu erreichen kann es in Einzelfällen nötig sein, den pH-Wert so einzustellen, dass er im Bereich 3 bis 4 liegt. Im Regelfall sollte aber ein pH-Wert kleiner pH5 ausreichend sein.
E) Es erfolgt eine Auftrennung der durch die enzymatische Behandlung erhaltenen Produkte. Die freigesetzte Phytinsäure kann als Phytat aus der die gelöste Phytinsäure enthaltenen Phase ausgefällt werden, derart, dass das aus der enzymatischen Behandlung gemäß Schritt C) oder gemäß dem gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Schritt D) erhaltene Gemisch gegebenenfalls zunächst auf einen sauren pH Wert gebracht wird.

Wesentlich ist insbesondere die Durchführung des Schritts C). Hierbei wird durch die Hydrolyse aus dem Ausgangsmaterial Phytinsäure freigesetzt. Durch die enzymatische Behandlung erfolgt dabei eine Zerkleinerung des eingesetzten Ausgangsmaterials, sodass freigesetzte Phytinsäure leichter isoliert werden kann und nach Abtrennung der Phytinsäure/ des Phytins zusätzlich auch ein hochwertigeres Restmaterial erhalten wird, das – auch da es durch die enzymatische Hydrolyse bereits vorverdaut ist – gut in der Tierfütterung eingesetzt werden kann. Generell kann an dieser Stelle festgehalten werden, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren durch jegliche enzymatische Behandlung eine Freisetzung von Phytinsäure erfolgt. Diese ist umso vollständiger, je mehr verschiedene Enzyme eingesetzt werden.
Wird im Rahmen dieser Anmeldung der Begriff "Phytinsäure" verwendet, so steht dieser Begriff sowohl für die Phytinsäure selbst als auch für deren Salz(e). Da es eine Frage des pH-Werts ist, ob die Phytinsäure als solche oder als Salz (also als Phytat) vorliegt, wird im Rahmen dieser Anmeldung, insbesondere in den nachfolgenden Passagen, keine Differenzierung zwischen Phytinsäure und Phytat vorgenommen; es wird im Wesentlichen durchgängig nur noch der Begriff der Phytinsäure verwendet. Für den Fachmann ist es problemlos möglich, zu bestimmen, ob bei einem bestimmt pH-Wert eines Gemischs gerade (mehr) Phytinsäure oder (mehr) Phytat vorliegt.
Als Ausgangsmaterial dienen erfindungsgemäß Getreide. Zu nennen sind beispielsweise Weizen-, Roggen-, Gerste-, Hafer, Reis-, Mais- und Hirse-Arten, insbesondere in Form von Getreidekörnern und insbesondere Ausgangsmaterial in zerkleinerter Form, bei dem im Regelfall der Mehlanteil zuvor abgetrennt wurde.
Häufig wird man Ausgangsmaterial einsetzen, das als Produkt eines Mahlprozesses erhalten wurde. Da Mehl und Grieß keinen signifikanten Phytinsäure-Anteil aufweisen, handelt es sich hierbei um Produkte des Mahlprozesses, die vorliegen, wenn bereits eine Abtrennung des Mehl- und Grießanteils erfolgt ist. Wird erfindungsgemäß in Schritt A) unzerkleinertes Getreide bzw. unzerkleinerte Getreidekörner bereitgestellt, so wird im Regelfall zunächst ein Mahlprozess durchgeführt, wie er beim Mahlen von Getreide Verwendung findet. Um eine besonders hohe Wertschöpfung generieren zu können, wird man im Regelfall auch wenn unzerkleinertes Ausgangsmaterial verwendet wird, nach erfolgter Zerkleinerung vorab das Mehl abtrennen. Beispielsweise spielt Reis neben dem Einsatz in der Lebensmittelindustrie auch noch eine besondere Rolle in der Kosmetik- und Pharmaindustrie, da die enthaltene Reisstärke wertvolle physikalische Eigenschaften aufweist. Dagegen ist Getreidekleie im Allgemeinen ein Abfallprodukt. Reiskleie findet lediglich für Nischenprodukte wie Pferdefutter Verwendung.
Wesentliche Bestandteile der Kleie sind hauptsachlich die Nichtstärke-Kohlenhydrate, Cellulose und Hemicellulose. Daneben enthält sie Vitamine, Mineralstoffe, Phytat, Öl und weitere Wertstoffe.
Als Lösungsmittel kann statt eines wässrigen Lösungsmittels auch reines Wasser eingesetzt werden, häufig wird als wässriges Lösungsmittels eine verdünnte wässrige Lösung einer Base oder einer Säure eingesetzt, da durch hierdurch bei entsprechender Reihenfolge bei Verwendung mehrerer der nachfolgend beschriebenen Hydrolyse-Schritte ein Verfahren mit besonders geringer Salzfracht erhalten wird. Der pH-Wert des wässrigen Lösungsmittels ist auch abhängig von den eingesetzten Enzymen (die in erster Näherung in einem Bereich von pH3 bis pH 10 arbeiten). Erfindungsgemäß ist der Einsatz einer Base wünschenswert, weil damit Proteine in Lösung gebracht werden können. Die Verwendung eines basischen wässrigen Lösungsmittel ist insbesondere sinnvoll wenn als erster Hydrolyseschritt nach Durchführung von Schritt B) der Schritt C1) durchgeführt wird. Es kann aber auch eine verdünnte wässrige Lösung einer Säure sinnvoll sein, insbesondere wenn als erster Hydrolyseschritt nach Durchführung von Schritt B) der Schritt C1) durchgeführt wird. Daneben sind im Prinzip aber auch verdünnte wässrige Lösungen anderer Stoffe denkbar.
Gemäß einer Ausführungsform kann Schritt C) einen oder zwei Teilschritte umfassen, wobei im Fall von zwei Teilschritten auch einer der beiden Teilschritte eine thermische Hydrolyse und somit keine enzymatische Hydrolyse sein kann. Im Grundsatz ist es auch denkbar, dass Schritt C) mehr als zwei Teilschritte aufweist; aus ökonomischen Gründen wird man sich aber üblicherweise auf maximal zwei Teilschritte beschränken, die nachfolgend näher beschrieben werden:
Schritt C) kann zunächst einen Teilschritt C2) aufweisen, in dem eine thermische Hydrolyse erfolgt oder eine enzymatische Hydrolyse, wobei bei der enzymatischen Hydrolyse als Enzym zum einen eine Cellulase oder ein Cellulase enthaltendes Gemisch und zum anderen zusätzlich eine Pektinase oder ein Pektinase enthaltendes Gemisch eingesetzt wird.
Durch den Zusatz von Pektinase werden die in den Ausgangsmaterialien enthaltenen Pektin-Ketten aufgebrochen; durch die Cellulase werden insbesondere Cellulose-Einheiten gespalten. Insgesamt kann durch diese enzymatische Hydrolyse gemäß Teilschritt C2) also ein Aufbrechen der im Ausgangsmaterial enthaltenen Pflanzenzellen erfolgen, was zum Freisetzen der Phytinsäure führt.
Alternativ kann in Teilschritt C2) statt einer enzymatischen Hydrolyse auch eine thermische Hydrolyse erfolgen, wobei auch durch diese thermische Hydrolyse ein Aufbrechen der Zellstrukturen verursacht wird. Ein Teilschritt C2) mit enzymatischer Hydrolyse ist aber gegenüber einer thermischen Hydrolyse klar bevorzugt, da bei der thermischen Hydrolyse neben der Freisetzung der Phytinsäure auch (zum Beispiel durch die Maillard-Reaktion) die Bildung von unerwünschten Nebenprodukten erfolgen kann womit die Wertschöpfung eingeschränkt werden kann.
Die enzymatische Hydrolyse gemäß Teilschritt C2) erfolgt insbesondere bei Temperaturen von 20 bis 90°C. Im Regelfall wird man Temperaturen von maximal 70°C verwenden. Häufig wird diese Behandlung bei saurem pH Wert (insbesondere bei pH < 5) erfolgen. Dies hat unter anderem den Vorteil, dass die freigesetzte Phytinsäure leichter aus den aufgebrochenen Bruchstücken des Ausgangsmaterials isoliert werden kann, da sie im Lösungsmittel, insbesondere dem als Lösungsmittel verwendeten wässrigen Gemisch, gut löslich ist und dementsprechend leichter abtrennbar ist.
Alternativ oder ergänzend zu Teilschritt C2) kann Schritt C) auch eine enzymatische Hydrolyse mittels eines Teilschritts C1) umfassen, bei dem eine Protease oder ein Protease enthaltendes Gemisch mit dem Ausgangsmaterial in Kontakt gebracht wird.
Durch den Zusatz der Protease werden Proteine gespalten und auch hierdurch wird Phytinsäure freigesetzt.
Im Regelfall wird die enzymatische Hydrolyse gemäß Teilschritt C1) bei Temperaturen zwischen 25 und 60° durchgeführt. Abhängig vom Enzym erfolgt dies bei einem pH-Wert zwischen 4 und 12. Da durch die Behandlung mit der Protease allerdings ein gewisses Absinken des pH-Werts erfolgt und für eine enzymatische Behandlung in einem nachfolgenden Schritt C2) häufig ein saurer pH-Wert günstig ist, wird man häufig eine Protease wählen, bei der zu Beginn der Reaktion gemäß Teilschritt C1) ein leicht basischer pH-Wert (kleiner pH 8) vorliegt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Hydrolyse gemäß Schritt C) sowohl den Teilschritt C1) als auch den Schritt C2). Durch die Kombination der beiden Teilschritte kann Phytinsäure besonders gut, häufig sogar nahezu vollständig aus dem Ausgangsmaterial freigesetzt werden. Im Regelfall wird hierbei die Hydrolyse gemäß Teilschritt C1) vor der Hydrolyse gemäß Teilschritt C2) durchgeführt werden. Durch die Hydrolyse mittels der Protease erfolgt im Regelfall eine Verminderung der Viskosität des erhaltenen Gemischs, sodass die weitere Bearbeitung einfacher ist. Zudem erfolgt durch die Protease im Regelfall auch eine Absenkung des pH-Werts, sodass für die Hydrolyse mit Cellulase und Pektinase die zumeist erforderliche Verminderung des pH-Werts mit verhältnismäßig wenig Säure erfolgen kann. Dreht man dagegen die Reihenfolge der beiden Schritte um, so ist im Regelfall zunächst eine Verminderung des pH-Werts erforderlich, nachfolgend eine Anhebung des pH-Werts und zum Schluss nochmals eine Verminderung des pH-Werts. Insofern wird bei Durchführung von Schritt C2) vor Schritt C1) eine deutlich höhere Salzfracht generiert. Generell kann bezüglich der Hydrolyse gemäß Schritt C) mit zwei Teilschritten C1) und C2) ausgesagt werden, dass insbesondere im Hinblick auf die Salzfracht die enzymatische Hydrolyse gemäß Schritt C2) bei einem niedrigeren pH-Wert als die Hydrolyse gemäß Schritt C1) erfolgen sollte.
Prinzipiell kann neben den Teilschritten C2) und C1) auch noch ein weiterer Hydrolyse-Schritt, insbesondere – wie oben erwähnt – ein weiterer enzymatischer Hydrolyse-Schritt, ergänzt werden; allerdings wird bereits durch einen der beiden Schritte C1) und C2) verhältnismäßig viel Phytinsäure freigesetzt und durch die Kombination der beiden Teilschritte noch mehr, vielfach sogar fast die gesamte im Ausgangsmaterial enthaltene Phytinsäure.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Hydrolyse-Schritt C) und vor dem Produktseparations-Schritt E) ein Verfahrensschritt D) durchgeführt, in dem eine alkoholische Gärung des nach Schritt C) erhaltenen Gemischs (also nach Durchführung von einer oder mehreren enzymatischen Behandlungen) erfolgt.
Mit der alkoholischen Gärung werden die im erhaltenen Produktgemisch vorhandenen Kohlenhydrate, insbesondere die Glucose, weiter abgebaut, sodass – wenn man den gebildeten Alkohol entfernt – ein Feststoff erhalten wird, der verhältnismäßig proteinreich ist und daher als Futtermittel besonders gut geeignet ist. Durch die erfindungsgemäße Fermentation wird der Zuckergehalt sehr deutlich reduziert; meist gelingt es sogar, vollständig zuckerfreie Produkte zu erhalten. Daneben führt bei der alkoholischen Gärung die weitere Zerkleinerung der im Produktgemisch enthaltenen Bruchstücke dazu, dass im weiteren Verlauf eine leichtere Trennung der darin enthaltenen Wertstoffe möglich ist. Ein weiterer Vorteil der Durchführung eines alkoholischen Gärungsschritts ist, dass hierdurch die Viskosität des erhaltenen Gemischs weiter abgesenkt wird und somit eine deutlich leichtere Trennbarkeit dieses Gemischs gewährleistet ist. Schließlich stellen die für die alkoholische Gärung häufig eingesetzten Hefen selbst auch einen wertvollen Futtermittelstoff dar. Ganz allgemein kann die alkoholische Gärung nicht nur mittels Hefen erfolgen, sondern auch mittels anderer Mikroorganismen und dergleichen.
Setzt sich Verfahrensschritt C) aus zwei Teilschritten C1) und C2) zusammen, so wird man Schritt D) in den meisten Fällen nach der Durchführung beider Teilschritte durchführen. Daneben ist es aber auch möglich, zunächst Schritt C2), dann Schritt D) und dann Schritt C1) durchzuführen.
Wie bereits erwähnt, ist es vorteilhaft, das Getreide nicht direkt als Ausgangsmaterial einzusetzen, sondern diese zuvor zu zerkleinern. Gemäß einer Ausführungsform wird daher in Schritt A) ein vorbehandeltes Ausgangsmaterial eingesetzt, das zuvor bereits mindestens einer der folgenden Behandlungen unterworfen wurde: Sieben, Zerkleinern, Entölen, Deproteinieren. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird häufig bei der Ölgewinnung anfallendes Ausgangsmaterial eingesetzt, das bereits einer derartigen Behandlung unterworfen wurde, sodass ein Presskuchen oder Expellerschrot gebildet wurde.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Abtrennung der Phytinsäure durch Ausfällen mit zwei- oder dreiwertigen Metallionen. Diese Metallionen können dem Gemisch zugesetzt werden; sie können aber auch bereits im Gemisch enthalten sein. Der letztere Fall spielt insbesondere dann eine Rolle, wenn das Gemisch einen pH-Wert kleiner 5 aufweist, in dem die Phytinsäure gelöst vorliegt. Die Ausfällung mit bereits enthaltenen Metallionen kann dann durch Anheben des pH-Werts realisiert werden.
Insbesondere mit zwei- oder dreiwertigen -wertigen Metallionen kann Phytinsäure in wässriger Lösung bei gleichzeitigem Anheben des pH-Werts einer sauren Lösung ausgefällt werden. Wie bereits eingangs erwähnt, kann dieses Ausfällen bereits bei Anheben des pH-Werts auf einen Wert von zumindest pH 5 erfolgen. Überraschenderweise wird dabei trotz der Vielzahl weiterer im Gemisch enthaltener Stoffe verhältnismäßig reine Phytinsäure erhalten werden. Ein Ausfällen mittels anderen als zwei- oder dreiwertigen Metallionen oder Kationen ist zwar im Grundsatz denkbar, allerdings deutlich aufwendiger, weil das Löslichkeitsprodukt im Regelfall einen geringeren Wert aufweist als bei den zwei- oder dreiwertigen Metallionen.
Unter den zwei- oder dreiwertigen Metallionen kommen insbesondere physiologisch verträgliche Metallionen infrage, die auch als (nicht ausgefällte) Bestandteile im verbleibenden als Futtermittel eingesetzten Reststoff unbedenklich sind. Insbesondere sind daher für die zwei- oder dreiwertigen Metallionen Metalle der zweiten und dritten Hauptgruppe und der achten Nebengruppe zu nennen. In den meisten Fällen wird man allein schon auf Grund der kommerziellen Gegebenheiten als Metallionen Kationen von Calcium, Magnesium und/oder Eisen einsetzen (bzw. für das Ausfällen Calcium –, Magnesium- und/oder Eisen-Salze zusetzen) und ferner eine Base zusetzen, sofern eine pH-Erhöhung zusätzlich erforderlich ist. Gegebenenfalls kann alternativ oder ergänzend auch ein Aluminiumsalz verwendet werden, das aber den Nachteil hat, dass es mittlerweile als gesundheitlich bedenklich eingestuft wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die Abtrennung der Phytinsäure alternativ oder ergänzend durch Zusetzen von Ammoniak, eines Amins oder einer Ammoniumverbindung erfolgen. Insbesondere relevant ist hierbei das Zusetzen von Ammoniak. Erfolgt die Ausfällung der Phytinsäure mittels dieser Variante, so kann auf das Zusetzen einer Base zur pH-Wert Anhebung im Regelfall verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Ausfällen der Phytinsäure in Schritt E) durch langsames Erhöhen des pH-Werts der nach Schritt C) bzw. Schritt D) erhaltenen Mischung und unter ständiger Homogenisierung des Gemischs, in dem die auszufällende Phytinsäure vorliegt. Die Erhöhung des pH-Werts erfolgt dabei zumindest auf pH 5, häufig auch auf bis zu pH7 oder gegebenenfalls auch auf einen pH-Wert größer pH7. Prinzipiell sind aber auch noch deutlich höhere pH-Werte denkbar.
Hierdurch erfolgt eine besonders langsame Bildung von Kristallisationskeimen und ein besonders langsames Kristallwachstum. Das langsame Anheben des pH-Werts kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass die für die Erhöhung des pH-Werts nötige Base zugetropft wird. Selbstverständlich kann es sich bei der Base und dem Metallsalz auch um ein und dieselbe Verbindung handeln. Unter langsamen Anheben wird erfindungsgemäß verstanden, dass die Erhöhung des pH-Werts pro Minute maximal 0,1 pH-Einheiten beträgt.
Durch das langsame Erhöhen des pH-Werts und die ständige Homogenisierung des erhaltenen Gemischs wird überraschenderweise erreicht, dass nahezu vollständig saubere Phytinsäure aus dem Gemisch ausgefällt werden kann. Es werden nur geringe (minimale) Anteile im Gemisch noch enthaltener Stoffe, wie beispielsweise Proteinhydrolysate, mitgerissen und es erfolgt im Wesentlichen eine quantitative Ausfällung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt vor dem Ausfällen der Phytinsäure noch eine weitere Auftrennung der im wässrigen Gemisch enthaltenen Komponenten. Insbesondere wenn als Lösungsmittel Wasser oder ein wässriges Lösungsmittel verwendet wird, kann in Schritt E) eine Abtrennung von organischen Phasen erfolgen. Beispielsweise ist in Kleie ein signifikanter Anteil von Öl enthalten, der dann als organische Phase auf der wässrigen Phase aufschwimmt und abgetrennt werden kann. Durch die Abtrennung der organischen Phase ist das nachfolgend abgetrennte Phytin meist in reinerer Form erhältlich.
Ferner können vor dem Ausfällen der Phytinsäure auch Feststoffe, die im Gemisch enthalten sind, abgetrennt werden. Zu nennen sind hier zum einen Feststoffe, die aufschwimmen oder sich sofort absetzen, weil sie in größeren Partikeln vorliegen. Zum anderen sind aber auch Bestandteile des Ausgangsmaterials zu nennen, die im Lösungsmittel unlöslich oder nahezu unlöslich sind und sich ebenfalls absetzen können. Ferner können auch Feststoffe enthalten sein, die auf enzymatische Behandlungen im Schritt C) oder auf die alkoholische Gärung (beispielsweise mittels Hefe) zurückzuführen sind. Auch durch die Abtrennung der Feststoffe ist das nachfolgend abgetrennte Phytin meist in reinerer Form erhältlich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können aus der organischen Phase noch Wertstoffe isoliert werden. Zu nennen sind hierbei insbesondere das als Emulgator wirkende Lecithin sowie Oleosin. Lecithin und Oleosin können dabei als gemeinsame Phase abgetrennt werden; anschließend kann mit Hexan das Öl extrahiert werden. Das enthaltene Lecithin oder Oleosin können beispielsweise für die Kosmetikindustrie eingesetzt werden. Lecithin kann aber auch ganz generell aufgrund seiner emulgierenden Eigenschaften für die Verwendung als Emulgator isoliert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch nach dem Abtrennen der Phytinsäure aus dem verbliebenen (insbesondere wässrigen) Gemisch noch weiterer Wertstoff gewonnen werden. In diesem Gemisch sind noch Proteine und/oder Proteinhydrolysate enthalten, die durch Filtration oder Zentrifugation (insbesondere Ultrafiltration) noch als Wertstoffe abgetrennt werden können. Sie können insbesondere als Futterstoff eingesetzt werden.
Schließlich kann bei Durchführung einer alkoholischen Gärung (Schritt E)) auch noch ein Abdestillieren des gebildeten Alkohols aus dem wässrigen Gemisch erfolgen.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass nicht nur Phytinsäure in großen Ausbeuten und in sehr sauberen Reinheitsgraden mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erhalten werden kann. Bei Durchführung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen können auch noch weitere Wertstoffe dem gebildeten Gemisch entnommen werden. Neben Phytinsäure können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Durchführung aller vorstehend genannten Ausführungsformen auch noch Feststoffe für die Tierfutterindustrie, Oleosine, Lecithine, Proteine und Proteinhydrolysate sowie Alkohol als Wertstoffe entnommen werden. Selbst wenn nicht alle vorstehend beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden, so können neben der Phytinsäure trotzdem noch ein, zwei, drei oder vier der vorstehend beschriebenen Wertstoffe erhalten werden. Dies zeichnet das Verfahren gegenüber den nach dem Stand der Technik beschriebenen Verfahren deutlich aus. Je nach Detaillierungsgrad kann somit ein für ökonomische Prozesse in idealster Weise angepasster gestufter Prozess entwickelt werden.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren nochmals anhand einer detaillierten Beschreibung näher erläutert, wobei die nachfolgenden Ausführungen nicht als Einschränkung hinsichtlich der vorstehend beschriebenen allgemeineren Beschreibung aufgefasst werden sollen.
Als Ausgangsmaterial kann beispielsweise Kleie eingesetzt werden, beispielsweise ist Reiskleie geeignet. Diese wird zunächst mittels einer Base zu einer wässrigen Suspension mit basischem pH-Wert übersetzt. Hierzu wird die Kleie mit einer wässrigen Base mit pH 10 versetzt, insbesondere ist hierbei Natronlauge geeignet. Das Verhältnis Kleie/wässriges Lösungsmittel wird dabei so gewählt, dass die erhaltene Suspension nicht zu viskos wird, sodass die nachfolgende Hydrolyse ökonomisch durchgeführt werden kann.
Die erhaltene Suspension aus Natronlauge und Kleie wird dann auf 50°C temperiert und mit Proteasen versetzt. Nach wenigen Stunden (insbesondere 1 bis 4 Stunden) ist die enzymatische Hydrolyse abgeschlossen und der pH-Wert um 2 bis 3 Einheiten abgefallen (beispielsweise auf pH 7,5). Durch Zugabe von Säure wird der pH-Wert nun um weitere 2–4 pH-Einheiten gesenkt (beispielsweise auf pH 5 mittels Salzsäure). Die Temperatur wird ebenfalls gesenkt (beispielsweise auf 30° C) und die Cellulase sowie die Pektinase zugegeben. Diese Zugabe erfolgt wiederum aus ökonomischen Gründen im Regelfall gleichzeitig. Die zweite enzymatische Hydrolyse erfolgt im Regelfall deutlich schneller, sodass nach 15 Minuten bis 2 Stunden (häufig nach ca. 30 Minuten) die alkoholische Gärung anschließen kann. Hierzu werden Mikroorganismen (zum Beispiel Hefen) zugegeben, durch deren Zusatz es zu einer weiteren Absenkung der Viskosität kommt. Nach einem halben bis zwei Tagen (häufig nach ca. 18 Stunden) ist die Fermentation beendet und es kann die Produktauftrennung erfolgen.
Aus dem erhaltenen Gemisch können im Regelfall drei Feststofffraktionen und eine Flüssigfraktion isoliert werden. Die erste Feststofffraktion (eine Schalenfraktion) setzt sich sofort nach Abstellen des für die alkoholische Gärung verwendeten Rührwerks ab (es versteht sich von selbst, dass diese Schalenfraktion nicht bei jeglichem eingesetztem Ausgangsmaterial enthalten sein kann). Die zweite Feststofffraktion enthält die im Lösungsmittel unlöslichen Inhaltsstoffe des Presskuchens sowie die während der vorstehenden Verfahrensschritte C) und D) eingesetzten Mikroorganismen. Diese Fraktion kann durch Zentrifugation abgetrennt werden und weiterhin als Tierfutter eingesetzt werden, insbesondere wenn für die alkoholische Gärung Hefen eingesetzt wurden. Daneben enthalten aber auch die im Lösungsmittel unlöslichen Bestandteile der Kleie noch wertvolle Inhaltsstoffe, beispielsweise Vitamine.
Der verbliebene Rest enthält zwar noch weitere Feststoffe (nämlich Proteine und Proteinhydrolysate) aus verfahrensökonomischen Gründen werden diese häufig aber erst zu einem späteren Zeitpunkt abgetrennt. In der als Ausgangsmaterial gewählten Kleie ist ein signifikanter Anteil Öl enthalten, der von der wässrigen abgetrennt werden kann. In dieser Ölfraktion sind unter anderem Wertstoffe wie Lecithin und Oleosin enthalten und können aus dieser gegebenenfalls isoliert werden.
Nach dem Abtrennen der Ölfraktion sind im verbleibenden Gemisch im Wesentlichen noch Proteine, Proteinhydrolysate, Phytinsäure und Alkohol enthalten. Die Phytinsäure kann, wie vorstehend im allgemeinen Teil bereits detailliert erläutert, aus dem Gemisch durch Neutralisation als Phytat ausgefällt werden. Schließlich kann – wie ebenfalls vorstehend schon beschrieben – das in der wässrigen Phase noch enthaltene niedermolekulare Protein mittels Ultrafiltration oder Zentrifugation abgetrennt werden und auch der aufgrund der alkoholischen Gärung enthaltene Alkohol mittels Destillation oder Pervaporation auf einfache Weise isoliert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend noch näher anhand mehrerer Beispiele erläutert, wobei der Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele mit dem Vergleichsbeispiel 1, das nach herkömmlichem Weg auf nasschemische Art und Weise durchgeführt wurde, zeigt, dass – unabhängig von den weiteren Wertstoffen – bereits eine Unterschied darin besteht, dass die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren isolierte Phytinsäure in höhreren Ausbeuten erhalten wird.
Beispiel 1: Enzymatische Extraktion mit Pektinase und Cellulase
Reiskleie wird in einer Konzentration von 10 % (w/V) in Wasser suspendiert und bei ca. 35 °C mit 10%iger Salzsäure unter Rühren auf einen pH-Wert von 5 eingestellt. Anschließend werden die Proben mit jeweils 3 Gew.-%, in Bezug auf die eingesetzte Masse an Reiskleie, Novozymes Pectinex und Novozymes Celluclast versetzt. Die Zugabe der Enzyme bewirkt eine Verringerung der Viskosität der Suspension. Nach 3 Stunden wird die Reaktion gestoppt und der Feststoff mittels Zentrifugation (11000 RCF) abgetrennt. Das Phytat wird durch Neutralisation mittels 5M Natronlauge aus dem flüssigen Überstand gefällt. Das gefällte Phytat-haltige Präzipitat entspricht 2,8 Gew.-% des eingesetzten Feststoffes. Die im Präzipitat enthaltene Phytinsäure liefert Ausbeuten von 1,7 % bezogen auf den eingesetzten Feststoff (Trockenmasse).
Beispiel 2: Biotechnologisches Verfahren (mehrere Enzyme und Fermentation)
Reiskleie wird mit einer Konzentration von 10 % (w/V) in Wasser suspendiert und bei einer Temperatur von 50 °C mittels 5M Natronlauge unter Rühren (300 rpm) auf einen pH-Wert von 10 eingestellt (in einem DASGIP fed-batch pro Parallelfermentersystem). Anschließend wird der Ansatz mit jeweils 1 Gew.-% Alcalase, in Bezug auf die eingesetzte Reiskleie, versetzt. Nach ca. 2,5 Stunden ist der pH-Wert auf pH 7,5 gefallen und der Ansatz wird mit 1 % Bromelain (w/w Reiskleie) versetzt. Nach weiteren 2 Stunden wird der pH Wert mittels Salzsäure auf pH 5,2 gesenkt und 1 % Pectinex sowie 1 % Celluclast (w/w) in Bezug auf die eingesetzte Masse an Reiskleie zugegeben. Nach einer weiteren Stunde wird dann die alkoholische Gärung durch die Zugabe von Saccharomyces cerevisiae spec. induziert. Die Fermentation wird nach ca. 12 Stunden, sofern die Kohlendioxidbildung beendet ist, beendet. Der pH sinkt während der Fermentation bis auf einen Wert von 4,5 ab. Die Viskosität nimmt im Vergleich zu Beispiel 1 noch weiter ab. Der Feststoff wird mittels Zentrifugation (11000 RCF) vom Überstand getrennt. In den Zentrifugenröhrchen können insgesamt 3 Phasen festgestellt werden. Mit abnehmender Dichte werden die folgenden Phasen erhalten:

1. unlöslicher Feststoff
2. wässrige Phase
3. Ölphase mit Oleosin

Diese Phasentrennung kann auch in einem Scheidetrichter nach 2 stündiger Standzeit beobachtet werden.
Die Phytinsäure wird unter Verwendung von 5M Natronlauge durch Anhebung auf einen pH-Wert von 6,5 gefällt. Der Massenanteil des Fällungsproduktes am eingesetzten Feststoff liegt bei 11,2 % und variiert je nach eingesetzter Reiskleie. Die im Präzipitat enthaltene Phytinsäure liefert Ausbeuten von 6,6 % bezogen auf den eingesetzten Feststoff (Trockenmasse). Das Präzipitat kann mittels Zentrifugation separiert werden. Der gelöste Feststoff wird mittels Ultrafiltration aufkonzentriert. Das Protein in der Ölphase wird mittels Hexan in einer Soxleth-Apparatur aufgereinigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2013/001043 A2 [0009]
WO 2015/155010 A1 [0010]
WO 94/12038 [0011]

Claims

Verfahren zur Gewinnung von Phytinsäure und/oder Phytat aus Getreide mit folgenden Schritten: A) Bereitstellung eines aus Getreide gewonnenen Ausgangsmaterials, das Phytinsäure und/oder Phytat enthält sowie eines oder mehrerer Enzyme, B) Dispergierung des Ausgangsmaterials in einem Lösungsmittel, insbesondere von bis zu 25 Gew.-% Ausgangsmaterial in dem Lösungsmittel, C) Hydrolyse des dispergierten Ausgangsmaterials zumindest durch Kontaktierung mit mindestens einem Enzym, so dass aus dem Ausgangsmaterial Phytinsäure und/oder Phytat freigesetzt wird, E) Auftrennung der erhaltenen Produkte, umfassend die Ausfällung der freigesetzten Phytinsäure als Phytat und die Abtrennung des gebildeten Phytats.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C) einen Teilschritt C2) umfasst, wobei in Teilschritt C2) eine thermische Hydrolyse erfolgt oder eine enzymatische Hydrolyse, für die als Enzym zumindest eine Cellulase oder ein Cellulase enthaltendes Gemisch sowie eine Pektinase oder ein Pektinase enthaltendes Gemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C) einen Teilschritt C1) umfasst, wobei Teilschritt C1) für die Hydrolyse als Enzym zumindest eine Protease oder ein Protease enthaltendes Gemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach den beiden vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt C) die Teilschritte C1) und C2) umfasst und dass Teilschritt C1) vor Teilschritt C2) durchgeführt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die enzymatische Hydrolyse gemäß Schritt C2) bei einem niedrigeren pH-Wert als die Hydrolyse gemäß Schritt C1) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dass zwischen Schritt C) und Schritt E) folgender Verfahrensschritt erfolgt: D) alkoholische Gärung des in Schritt C) erhaltenen Gemischs.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt D) für die alkoholische Gärung ein Mikroorganismus, insbesondere eine Hefe eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A) ein vorbehandeltes Ausgangsmaterial eingesetzt wird, das zuvor bereits mindestens einer der folgenden Behandlungen unterworfen wurde: Sieben, Zerkleinern, Entölen, Deproteinieren.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt A) als Ausgangsmaterial das Produkt eines Mahlprozesses von Getreide, insbesondere Kleie, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) das Ausfällen der Phytinsäure mittels zwei- oder dreiwertiger Metallionen erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) während des Ausfällens der Phytinsäure der pH-Wert des die Phytinsäure enthaltenden Gemischs unter ständiger Homogenisierung des Gemischs langsam erhöht wird und dass der hierbei erreichte pH-Wert zumindest pH 5 beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in Schritt B) verwendete Lösungsmittel Wasser ist und In Schritt E) vor dem Ausfällen der Phytinsäure eine Phasenseparation erfolgt und gegebenenfalls vorhandene Feststoffe und organische Phasen von der die Phytinsäure enthaltenden wässrigen Phase abgetrennt werden.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) aus der organischen Phase Oleosin und/oder Lecithin gewonnen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) nach dem Ausfällen und Abtrennen der Phytinsäure aus dem verbliebenden wässrigen Gemisch Proteine und/oder Proteinhydrolysat mittels Filtration oder Zentrifugation gewonnen werden.
Verfahren nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt E) durch Destillation aus dem wässrigen Gemisch Alkohol gewonnen wird.