DE102019130197A1

DE102019130197A1 - Verfahren zur Herstellung von Knochengelatine, und hergestellte Knochengelatine

Info

Publication number: DE102019130197A1
Application number: DE102019130197.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Pörschke
Original assignee: Gelita AG
Current assignee: Gelita AG
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-12
Also published as: JP2023500380A; EP4017273A1; ZA202205101B; AU2020378549A1; BR112022008175A2; US20220282123A1; MX2022005339A; CN114867357A; WO2021089244A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6, umfassend die folgenden Schritte:a) Bereitstellen von Knochen von Wirbeltieren;b) mechanisches Zerkleinern der Knochen bis zu einer Partikelgröße von weniger als 1.500 µm, bevorzugt weniger als 500 µm, weiter bevorzugt weniger als 300 µm;c) Extrahieren der zerkleinerten Knochen mit einem wässrigen Medium bei einer Temperatur von 100 bis 140 °C, bevorzugt 120 bis 130 °C, für einen Zeitraum von 0,5 bis 10 min, bevorzugt 1 bis 5 min, weiter bevorzugt 1 bis 3 min;d) Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung von den zerkleinerten Knochen; unde) Trocknen der wässrigen Gelatinelösung, um die Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6 zu erhalten, wobei das Verfahren kein Äschern der Knochen mit einer Base umfasst, und wobei die in Schritt a) bereitgestellten Kochen keinem Äschern unterzogen wurden.Die Erfindung betrifft ferner Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6, die nach diesem Verfahren hergestellt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6.
Die Erfindung betrifft ferner eine Knochengelatine, die gemäß diesem Verfahren hergestellt ist.
Die Gewinnung von Gelatine aus tierischen Knochen ist schon seit Langem bekannt. Wie auch andere Ausgangsmaterialien für die Gelatineherstellung (z.B. tierische Haut) enthalten Knochen hohe Anteile des Strukturproteins Kollagen, insbesondere Kollagen vom Typ I.
Das typische Verfahren, das in industriellem Maßstab zur Herstellung von Knochengelatine angewandt wird, ist ein mehrstufiger Prozess, der als wesentliche Schritte eine Entmineralisierung der Knochen in einem stark sauren Milieu (Mazeration) und eine anschließende Behandlung in einem stark alkalischen Milieu (Äschern) umfasst, um dann die Gelatine bei erhöhter Temperatur (typischerweise zwischen 50 und 100°C) in mehreren Stufen extrahieren zu können (siehe R. Schrieber und H. Gareis: Gelatin Handbook, 2007, Kapitel 2.2.5).
Bei der Mazeration werden die geschroteten Knochen über einen Zeitraum von ca. einer Woche in einem Gegenstromverfahren mit verdünnter Salzsäure behandelt, um die mineralischen Bestandteile (Calciumcarbonat und Calciumphosphat) aus dem Knochengewebe herauszulösen (siehe Gelatin Handbook, Kapitel 2.2.1.1). Das mit diesem Verfahren erhaltene Produkt wird als Ossein bezeichnet. Ein relevanter Kostenfaktor bei der Mazeration ist die erforderliche Kühlung wegen der exothermen Reaktion der Salzsäure mit den Calciummineralen. Nachteilig ist ferner die hohe Chloridfracht im Abwasser.
Das anschließende Äschern des Osseins ist notwendig, um eine effektive Extraktion der Gelatine zu ermöglichen. Das typische Äscherverfahren umfasst eine Behandlung mit einer Calciumhydroxidsuspension (pH-Wert von über 12) über einen Zeitraum von mehreren Monaten (siehe Gelatin Handbook, Kapitel 2.2.4.1). Durch die Verwendung von stärkeren Laugen kann die Behandlungszeit zwar verkürzt werden (z.B. auf einige Tage bei Verwendung von Natriumhydroxid), dies führt jedoch zu Ausbeuteverlusten.
Das vorstehend beschriebene Verfahren führt zu Knochengelatine vom Typ B, die sich durch einen isoelektrischen Punkt (IEP) von unter 5,6 auszeichnet, typischerweise im Bereich von 4,8 bis 5,5. Der IEP entspricht demjenigen pH-Wert, bei dem die Polypeptidketten der Gelatine (oder die daraus hergestellten Kollagenpeptide) eine neutrale Gesamtladung aufweisen. Der relativ niedrige IEP von Gelatine vom Typ B ergibt sich dadurch, dass beim Äschern die Aminosäuren Asparagin und Glutamin fast vollständig zu Asparaginsäure bzw. Glutaminsäure umgewandelt werden.
Die Herstellung von Knochengelatine vom Typ B verursacht daher relativ hohe Kosten durch die Kapitalbindung aufgrund der langen Behandlungszeiten und/ oder aufgrund des hohen Verbrauchs an Chemikalien.
Ebenfalls bekannt ist die Herstellung von Knochengelatine vom Typ A, wobei das Ossein ohne Äschern im sauren Milieu extrahiert wird. Gelatinen vom Typ A weisen einen hohen IEP von über 6 auf, im Fall von Typ-A-Knochengelatine typischerweise im Bereich zwischen 6 und 8 (bei Schweineschwartengelatine im Bereich von 8 bis 9). Aufgrund ihrer geringeren Viskosität bei gleicher Gelstärke im Vergleich zu Gelatine vom Typ B ist Gelatine vom Typ A aber nur für wenige Anwendungsfelder geeignet. Zudem konkurriert Knochengelatine vom Typ A mit Schweineschwartengelatine, die erheblich preiswerter hergestellt werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren für die Herstellung von Knochengelatine mit einem niedrigen isoelektrischen Punkt vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es die folgenden Schritte umfasst:

a) Bereitstellen von Knochen von Wirbeltieren;
b) mechanisches Zerkleinern der Knochen bis zu einer Partikelgröße von weniger als 1.500 µm, bevorzugt weniger als 500 µm, weiter bevorzugt weniger als 300 µm;
c) Extrahieren der zerkleinerten Knochen mit einem wässrigen Medium bei einer Temperatur von 100 bis 140°C, bevorzugt 120 bis 130 °C, für einen Zeitraum von 0,5 bis 10 min, bevorzugt 1 bis 5 min, weiter bevorzugt 1 bis 3 min;
d) Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung von den zerkleinerten Knochen; und
e) Trocknen der wässrigen Gelatinelösung, um die Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6 zu erhalten,

Es wurde im Rahmen der Erfindung überraschenderweise festgestellt, dass Gelatine aus Knochen nach diesem einfachen Verfahren mit relativ wenigen Prozessschritten hergestellt werden kann, wenn die entsprechenden Verfahrensparameter eingehalten werden. Die erfindungsgemäß hergestellte Knochengelatine weist dabei einen niedrigen IEP von unter 6 auf und ist damit für die typischen Anwendungsfelder von Gelatine vom Typ B geeignet.
Das erfindungsgemäße Verfahren verzichtet explizit auf ein Äschern der Knochen, welches im Extremfall mehrere Monate beansprucht, mindestens aber mehrere Tage. Allein dadurch sind der Zeit- und Energiebedarf und die Abwasserbelastung bei dem erfindungsgemäßen Verfahren deutlich verringert. Unter dem Begriff „Äschern“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Behandlung mit einer Base bei einem pH-Wert von über 12 verstanden.
Eine vorherige Mazeration der Knochen ist im Rahmen des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens möglich, aber prinzipiell nicht notwendig. Daher umfasst das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt auch keine Mazeration der Knochen mit einer Säure, und die in Schritt a) bereitgestellten Knochen wurden bevorzugt keiner Mazeration unterzogen. Auch dies verringert den Zeitbedarf und die Kosten des Verfahrens. Unter dem Begriff „Mazeration“ wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung eine Behandlung mit einer Säure bei einem pH-Wert von unter 1 verstanden.
Als Ausgangsmaterial für das erfindungsgemäße Verfahren können prinzipiell Knochen von jeglichen Wirbeltieren eingesetzt werden, also z.B. auch von Vögeln oder Fischen. Bevorzugt wird das Verfahren aber mit Knochen von Säugetieren durchgeführt, insbesondere mit Knochen von Rindern.
Günstig ist es, wenn die Knochen vor dem Zerkleinern gereinigt werden, insbesondere entfettet werden. Die Reinigung des Ausgangsmaterials begünstigt die effiziente Extraktion im Schritt c) und ermöglicht die Herstellung von qualitativ hochwertiger Knochengelatine.
Die Reinigung der Knochen umfasst vorzugsweise eine Behandlung mit einem oder mehreren Enzymen, bevorzugt mit Proteasen und/oder Lipasen. Während die Lipasen der Entfettung dienen, können mittels Proteasen nicht-kollagene Proteine abgebaut und entfernt werden. Eine Hydrolyse des Kollagens durch die Proteasen erfolgt vor dem entsprechenden Zerkleinern der Knochen nicht in nennenswertem Ausmaß.
Die Knochen weisen vor dem Zerkleinern günstigerweise einen Fettgehalt von weniger als 4 Gew.% auf, bevorzugt von weniger als 1 Gew.%, weiter bevorzugt von weniger als 0,5 Gew.%.
Die mechanische Zerkleinerung der vorzugsweise gereinigten Knochen bis zu einer Partikelgröße von weniger als 1.500 µm ist ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens. Aufgrund der geringen Partikelgröße wird eine direkte Extraktion von Gelatine aus dem Knochenmaterial ermöglicht, ohne dass die aus dem Stand der Technik bekannten Vorbehandlungen wie Mazeration oder Äschern erforderlich sind. Das mechanische Zerkleinern kann eine Trockenvermahlung oder eine Nassvermahlung der Knochen umfassen. Bevorzugt erfolgt eine Nassvermahlung in dem wässrigen Medium für die Extraktion.
Die Extraktion wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise mit einem Gewichtsanteil an zerkleinerten Knochen von 0,05 bis 0,5 kg/l in dem wässrigen Medium durchgeführt, bevorzugt von 0,1 bis 0,3 kg/l, weiter bevorzugt von 0,15 bis 0,2 kg/l.
Günstig ist es, wenn die Extraktion bei einem pH-Wert im Bereich von 7,5 bis 9 durchgeführt wird, bevorzugt von 8 bis 8,5. Durch die Einstellung des pH-Wertes während der Extraktion kann der isoelektrische Punkt der hergestellten Knochengelatine beeinflusst werden. Dieser liegt erfindungsgemäß unter 6, bevorzugt im Bereich von 5,2 bis 5,6.
Der pH-Wert wird vor der Extraktion insbesondere durch Zugabe einer Base eingestellt, bevorzugt durch Zugabe einer Natriumhydroxid- oder Calciumhydroxid-Lösung.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die zerkleinerten Knochen nach dem Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung bis zu zwei weitere Male den Schritten c) und d) unterzogen. Durch eine mehrfache Extraktion kann die Ausbeute an Gelatine erhöht werden. Für jeden Extraktionsschritt ist dabei die relativ kurze Extraktionszeit von maximal 10 min gemäß Schritt c) des erfindungsgemäßen Verfahrens ausreichend.
Das Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung von den zerkleinerten Knochen umfasst bevorzugt eine Filtration, insbesondere eine Membranfiltration. Dadurch können auch kleinste Partikel der zerkleinerten Knochen und andere Feststoffe entfernt werden.
Nach einer Filtration kann die wässrige Gelatinelösung (gegebenenfalls nach Vereinigung aus mehreren Extraktionen) bevorzugt einem Ionenaustausch unterzogen werden, insbesondere einer Entsalzung.
Das Trocknen der wässrigen Gelatinelösung, um die Knochengelatine mit einem IEP von unter 6 zu erhalten, kann durch verschiedene Verfahren erfolgen, die als solche aus dem Stand der Technik bekannt sind. In einem ersten Schritt erfolgt typischerweise eine Aufkonzentration mittels Verdampfern und/oder Ultrafiltration. Schließlich kann die Gelatine bis zu einem gewünschten Wassergehalt von typischerweise 10 bis 12% über beheizte Walzen oder in Konfektionstrocknern nach der Gelierung getrocknet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Die erfindungsgemäße Knochengelatine weist bevorzugt einen isoelektrischen Punkt von 5,2 bis 5,6 auf.
Die erfindungsgemäße Knochengelatine kann in allen üblichen Anwendungsfeldern von Gelatine vom Typ B eingesetzt werden. Mit besonderem Vorteil eignet sich die erfindungsgemäße Knochengelatine zur Herstellung von Gelatineweichkapseln.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Beispiel.
Beispiel: Herstellung von Knochenaelatine im Labormaßstab
165 g Knochenpulver (d50 < 350 µm; d90 < 700 µm) aus Rinderknochen werden mit 735 g Wasser versetzt. Der pH-Wert der gebildeten Suspension wird mit Natronlauge auf einen Wert von 8,5 eingestellt. Anschließend wird die Suspension im Mikrowellenherd unter Rühren für ca. 1 min auf 120 bis 127 °C erhitzt.
Nach dem Abkühlen (ca. 20 min) auf 95 °C kann die wässrige Lösung der aus dem Knochenpulver extrahierten Gelatine von den festen Bestandteilen abgetrennt werden. Der beschriebene Vorgang wird mit dem abgetrennten Feststoff einmal wiederholt und die vereinigten Gelatinelösungen werden durch Filtration über ein Schichtenfilter aufgearbeitet.
Nach einem Ionenvollaustausch erhält man eine wässrige Gelatinelösung mit einer Leitfähigkeit von 2,1 µS und einem pH-Wert von 5,5. Dieser pH-Wert entspricht ungefähr dem isoelektrischen Punkt der Gelatine.
Die Ausbeute an Knochengelatine nach dieser zweistufigen Extraktion beträgt 16 Gew.% bezogen auf das eingesetzte Knochenpulver.

Claims

Verfahren zur Herstellung von Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen von Knochen von Wirbeltieren; b) mechanisches Zerkleinern der Knochen bis zu einer Partikelgröße von weniger als 1.500 µm, bevorzugt weniger als 500 µm, weiter bevorzugt weniger als 300 µm; c) Extrahieren der zerkleinerten Knochen mit einem wässrigen Medium bei einer Temperatur von 100 bis 140 °C, bevorzugt 120 bis 130 °C, für einen Zeitraum von 0,5 bis 10 min, bevorzugt 1 bis 5 min, weiter bevorzugt 1 bis 3 min; d) Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung von den zerkleinerten Knochen; und e) Trocknen der wässrigen Gelatinelösung, um die Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6 zu erhalten, wobei das Verfahren kein Äschern der Knochen mit einer Base umfasst, und wobei die in Schritt a) bereitgestellten Kochen keinem Äschern unterzogen wurden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren keine Mazeration der Knochen mit einer Säure umfasst, und wobei die in Schritt a) bereitgestellten Kochen keiner Mazeration unterzogen wurden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Knochen von Säugetieren stammen, insbesondere von Rindern.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Knochen vor dem Zerkleinern gereinigt werden, insbesondere entfettet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Reinigung der Knochen eine Behandlung mit einem oder mehreren Enzymen umfasst, bevorzugt mit Proteasen und/oder Lipasen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Knochen vor dem Zerkleinern einen Fettgehalt von weniger als 4 Gew.% aufweisen, bevorzugt von weniger als 1 Gew%, weiter bevorzugt von weniger als 0,5 Gew.%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das mechanische Zerkleinern eine Trockenvermahlung oder eine Nassvermahlung der Knochen umfasst, bevorzugt eine Nassvermahlung in dem wässrigen Medium für die Extraktion.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Extraktion mit einem Gewichtsanteil an zerkleinerten Kochen von 0,05 bis 0,5 kg/l in dem wässrigen Medium durchgeführt wird, bevorzugt von 0,1 bis 0,3 kg/l, weiter bevorzugt von 0,15 bis 0,2 kg/l.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Extraktion bei einem pH-Wert im Bereich von 7,5 bis 9 durchgeführt wird, bevorzugt von 8 bis 8,5.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der pH-Wert vor der Extraktion durch Zugabe einer Base eingestellt wird, bevorzugt durch Zugabe einer Natriumhydroxid- oder Calciumhydroxid-Lösung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zerkleinerten Knochen nach dem Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung bis zu zwei weitere Male den Schritten c) und d) unterzogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtrennen der wässrigen Gelatinelösung eine Filtration umfasst, insbesondere eine Membranfiltration.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Trocknen der Gelatinelösung eine Walzentrocknung oder eine Bandtrocknung umfasst.
Knochengelatine mit einem isoelektrischen Punkt von unter 6, hergestellt gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Knochengelatine nach Anspruch 14 mit einem isoelektrischen Punkt von 5,2 bis 5,6.