DE1931082A1 - Verfahren zur Gewinnung von hochreinem Amylit - Google Patents

Description

Faienfanwäile

ZELLENTiH υ. LUYKEN

8000 München 22

Zweibrückensti. &

Hayashibara AG., 198 Shimoiishi, ' 19. Juni 1969 Okayama-shi, Okayama / Japan SJ/Hu

hao 7060

Verfahren sur Gewinnung von hochreinem Amylit

Die Erfindung betrifft ein wirtschaftlich»« vorteilhaftes Verfahren zur Gewinnung von hochreiner Amylose aus amyloe·- pektinhaltiger Stärke und deren Überführung in hochreines Amy-

. lieh
lit, einen wirtschaft wertvollen mehrwertigen Alkohol.

Amylopektin, ein Hauptbestandteil vieler Stärken, liegt bekanntlich in verhältnismäßig reinem Zustand in klebriger Reisstärke oder wachsartiger Maisstärke vor, wogegen Amylose, der andere wichtige Stärkebestandteil, in der Natur im freien Zustand nicht vorkommt und nur unter Schwierigkeiten aus Stärken abgesondert werden kann.

Zwar hat man verschiedene Verfahren zum Abtrennen von Amylose und Amylopektin aus Stärke vorgeschlagen, beispielsweise durch

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Gelatinieren von Stärken, wie Mais- oder Kartoffelstärke, in Wasser und fraktioniertes Fällen der gelatinierten Stärke entweder durch Kühlen (Verfahren der Hoffmann's Stärkefabriken A.G., Brit. Patentschrift 1 014.105/1915) oder mittels Salzen wie Magnesium sulfat (W.O. Bus, J. Muetgeert, P. Hiemstra, TJS-Patentschriften 2 829 987 - 990/1958, ehem. Abstr. 52/ 1958, 13 295/6, 14 204, 17 768} S. Augustat, "Staerke" 12/1960, 145) oder mittels Butanol u.dgl. (T.J. Scaoch, "Cereal Chem." 18/ 1941, 121, und "J.Am.ChemeSoc." 64/1942, 2957$ W.C. Bus, US-Patentschrift 2 803 568; J. Muetgeert, "Adran. Garbohydrate Chem." 1^/1961, 299). Keines dieser Verfahren ergibt jedoch Amylose von hohem Reinheitsgrad; die Kettenlänge der erhaltenen Amylose ist außerordentlich unregelmäßig und der Glukose-P^Lymerisationsgrad liegt zwischen 300 und 700. Die Amylosen lassen sich daher nicht zu einem stabilen Zuckeralkohol von gleichmäßiger Kettenlänge reduzieren; die Reduktionsprodukte sind in ihren Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu ungleichmäßig.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht in der Gewinnung niedermolekularer Amylose mit einem Glukose-Polymerisationsgrad von etwa 20 und gleichmäßiger Kettenlängedurch enzymatische Hydrolyse der^-1,6-Glukosidbindungen in den Seitenketten der verzweigten Struktur des Amylopektins von Stärke sowie in der Gewinnung von Amylit durch Reduktion der erhaltenen Amylose.

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Das erfindimgsgemäße Verfahren zur Gewinnung hochreiner Amylose- und Amylit-Produkt® ist dadurch gekennzeichnet, daß man

(A) in einer durch Hitzeeinwirkung aus amylopektinhaltiger Stärke erhaltenen. Lösung

(a) durch Einwirkung von ^-1,6-Glucosidase diee/-1,6-Glukosidbindungen der Seitenketten von Amylopektin selektiv hydrolysiert und

(b) die gebildete Amylose ausfällt, sodann

(B) die in reinem Zustand erhaltene niedermolekulare Amylose von gleichmäßiger Eettenlänge

(c) katalytisch hydriert und

(d) das erhaltene Amylit mittels Ionenaustauschharz reinigti

Erfindungsgemäß sind als Ausgangsstoffe verschiedene Stärkearten, wie Getreide- und Kartoffelstärken anwendbar; bevorzugt werden Stärken, die reich an Amylopektin sind oder im wesentlichen bzw. ausschließlich daraus bestehen, - vorzugsweise wachsartige Maisstärke und klebrige Reisstärke.

Wie gefunden wurde, sind als Enzyme, die eine geeignete enzyiaatische Wirksaiakeit hinsichtlich der Hydrolyse der^-1,6-Glukositbindungen besitzen, vor allem folgende 06-1,6-Glukosidasen mit besonderem Vorteil anwendbar:

(1) Pullulanase, gewonnen aus Bakterien des Stammes Aerobacter (vgl. Hans Bender u«, Kurt Wallenfels, "Biochem.Zeitsehr."

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, 79-95» Patentanmeldung P 1? 67 654.9);

(2) cL -I^-Glucosidase, gewonnen aus einem Stamm der Gattung Pseudomonas (P. amylodelamosa - "ATCG 21 262; vgl. Patentanmeldung P 17 67 653.8);

(3) ou--1,6-Glucosidase_t gewonnen aus der Bakterie Escherichia intermedia (ATCG 21.073);

(4-) cv-ijö-Glucosidase, gewonnen gemäß Patentanmeldung P 19 74-0.9) - *

Die Gewinnung niedermokekularer Amylose durch Stärkehydrolyse ist an sich Gegenstand des Patentes ...... (P 19 16 721.6). Gemäß diesem gelatiniert man 5 bis 20, vorzugsweise 5 bis 1O#- ige wässrige Stärkeaufschlämmungen bei einer Temperatur von etwa 100°C und stellt dann den pH-Wert der erhaltenen Lösungen auf einem für die zu benutzende ^-1,6-Glucosidaee optimalen Wert ein, und zwar auf 5 bis 7 für das Enzym (1) oder auf 4- bis 6 für das Enzym (2). Diesen Lösungen werden sodann 5 bis 10, vorzugsweise 5% einer wässrigen ^-1,6-Glucosidase-Lösung mit einem Gehalt von 20 bis 50 Einheiten je g Stärke zugesetzt. Nach einer 24· bis 4-8 stünjidiger Behandlung bei 40 bis 50, vorzugsweise 4-5°C wird die Amylose gefällt. Verläuft das Fällen nicht glatt, müssen die Lösungen konzentriert und 24- Stunden gekühlt werden, worauf eine-Fällung eintritt. Die abgeschleuderte und gewässerte Fällung besteht aus Amylose mit einem Glukose-Polymerisationsgrad von etwa 20.

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Die Reduktion der gewonnenen Amylose erfolgt durch deren Auflösen in Wasser zu einer 7 bis 15» vorzugsweise etwa 1Ö%igen Lösung und Abbau der Amylose durch Erhitzen auf 95 bis 10O⁰O. Dann wird die Lösung in einem Autoklav nach Zusatz eines Nikkelkatalysators wie Raney-Niekel in einer Menge, die etwa 10% der Reaktionsmischung äquivalent ist, im Verlauf von 5 bis 7 Stunden unter Rühren bei oder unterhalb etwa 100°0 und bei

ο einem Druck von höchstens 100, vorzugsweise 70 bis 80 kg/cm hydriert; nach Aufnahme von einem Mol Wasserstoff je Mol Amylose ist die Umsetzung beendet.

Die Aufbereitung des Umsetzungsgemisches findet durch aufeinanderfolgendes Abschleudern des Katalysators, Entionisieren mittels eines stark sauren Kationen- und/oder eines stark basischen Anionen-Austauschharzes (z.B. der Handelsprodujükte "IR-120", "IRA-411" oder "IRA-68" der US-Firma Rohna and Haas Co.) sowie Konzentrieren statt.

Die durch nachfolgend beschriebene Versuche ermittelten Eigenschaften des erhaltenen Amylits sind in den anliegenden Kurvenzeichnungen veranschaulicht.

(a) Löslichkeit (Fig. 1).

Eine Versuchsprobe wurde durch Erhitzen mit Wasser zu einer 10 bis 20%igen Lösung gelöst, diese im Thermostat über Nacht stehengelassen und nach Absetzen der Fällung mit einem Anthron-

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Reagenz der Gesamtzuckergehalt der überstehenden Flüssigkeit bestimmt. Das Ergebnis zeigt, daß die Wasserlöslichkeit im Vergleich zu Amylose angestiegen ist.

(b) Viskosität (Fig. 2).

Versuchsproben von 1, 2 und 3 g Trockengewicht erhitzte man in 20 ml Wasser unter Bildung von 5» 10 und 15%igen Lösungen und bestimmte in auf verschiedene Temperaturen eingestellten Gefäßen die Viskosität mit einem B-Typ-Viskosimeter, der mit einem B-1-Zusatzstück ausgerüstet war und bei einer Geschwindigkeit von 60 U/min arbeitete. Es ergab sich, daß die Viskosität niedriger als diejenige von Amylose ist.

(c) Säurebeständigkeit (Fig. 3).

Je 2 ml-Proben 0,1%iger Amylose- und Amylitlösungen wurden mit 4 ml einer verschiedene pH-Werte aufweisenden sauren Lösung versetzt und die in Teströhrchen eingefüllten Lösungen im Thermostat bei 55 und 100°0 gehalten. Nach einer Verweilzeit von 1, 2, 3j 5, 7 und 24 Stunden neutralisierte man die Lösungen und bestimmte dann nach der Somogyi-Nelson-Methode den Gehalt der Amylose an direkt reduzierendem Zucker. Es er-

_ etwa

gab sich, daß bei 100 G in 7 Stunden/8056 der Probe beim pH 1, 10 bis 1596 beim pH 2 und nur 2 bis % beim pH 3 hydrolysiert

des Amylits wurden. Dies zeigt im wesentlichen die gleiche Neigung/wie bei Amylose vor ihrer Reduktion.

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(d) Alkalibeständigkeit (£ig. 4).

Diese .wurde in gleicher Weise wie zuvor in Werten der Gesamtzuckergehalte bestimmt. Der-Vergleich dieser Gehalte nach einer 24-stündigen Verweilzeit bei verschiedenen Temperaturen und pH-Werten zeigte, daß - während die Amylit-Probe bei 1OO°O und im pH-Bereich zwischen 11,75 und 12,80 recht beträchtlich abgebaut wird, - die entsprechende Amylose-Probe in einem größeren Ausmaße zersetzt wird. Auch wird letztere beim pH 9,4-5 ziemlich abgebaut, wogegen die Amylit-Probe bei pH-Werten zwischen 6,89 und 9*4-5 praktisch keine Änderung erleidet. Die Amylit-Probe bleibt bei 55^; C bis zum pH 12,8 unzersetzt, dagegen ist die Amylose-Probe beim pH 11,75 und 12,8 merklich zersetzt, - dies sogar beim pH 9_t4-5» wenn auch zu einem geringeren Grade. Diese Ergebnisse bezeugen, daß die Alkalifestigkeit durch die Reduktion erhöht wird.

Zusammenfassend ergibt sich, daß das erfindungsgemäß gewonnene Amylit chemisch stabil ist und eine weit notiere Löslichkeit und eine weit niedrigere Viskosität als Amylose hat.

Die in angemessen hohen Ausbeuten erzeugten beiden HLysaccharide besitzen eine gleichmäßige Kettenlänge, gleichartige Eigenschaften und eine Gütebeständigkeit, wie dies mit früheren Verfahren nie zu erzielen war. Hierdurch sind die hergestellten Plysaccharide für eine Anzahl unterschiedlicher technischer Anwendungen und auch als Ausgangsstoffe für Synthesen versehied©a©r B©rimt© von Bedeutung.

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Beispiel:

(1) Amylose-Gewinnung.

Wachsartige Haisstärke in Form einer 5%igen Suspension wird durch Erhitzen unter Rühren gelatiniert und die gelatinierte Lösung durch Erhitzen in einem Druckofen bei etwa 125°C in ungefähr 30 min vollständig dispergiert. Der auf 45°C abgekühlten und auf das pH 4,5 eingestellten Lösung setzt man eine Lösung einer aus einem Pseudomonas-Stamm erhaltenen 0in einer Menge von 5C Einheiten Je g Stärke zu. Nach 48stündigem Reagieren bei 45°C wird die Lösung über Nacht in einem Kühlschrank stehengelassen.

Alsdann trennt man die ausgefallene Amylose (Fällung I) durch Dekantieren und nach Eindampfen der überstehenden Flüssigkeit bei Unterdruck bis zu einem Gehalt von 10% die Fällung II ab. Die beiden Fällungen werden gewässert und getrocknet. Die Bestimmung des Polymerisationsgrades der Produkte nach der Methode der Perjodatoxydation der Endgruppen ergibt 25 Grad für Fällung I und 21 für Fällung II. Die Bestimmung des Seitenkettengrades nach der Schmith-Abbaumethode ergibt einen Wert von 1,5 für Fällung I und 1,3 für Fällung II; dies deutet darauf hin, daß beide Fällungen aus linearkettigen Molekülen bestehen und im wesentlichen frei von Verzweigungen sind. Man erhält eine niedermolekulare Amylose mit Linearketten gleichartiger Länge.

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(2) Amylose-Reduktion.

55 S der vorstehend mit einem Wassergehalt von 9,3% erhaltenen Amylose werden in 4-35 ml Wasser unter Erhitzen gelöst. Die Lösung wird in einem mit Rührer versehenen Druckrohr in Gegenwart eines Eaney-Nickelkatalysators mit Wasserstoff bei 95 bis 100 0 unter einem Druck von 70 bis 80 kg/cm und einer Rührgeschwindigkeit von 800 U/min behandelt. Nach Ablauf von etwa 5 bis 7 Stunden erreicht die Wasserstoffaufnähme den Sättigungspunkt; die absorbierte Wasserstoffmenge entspricht der berechneten.

Zwecks Aufbereitung trennt man den Katalysator bei 80°C durch Zentrifugieren und entionisiert die gekühlte Flüssigkeit sicherheitshalber mittels eines stark sauren Kationen-(^llIR-120") und eines stark basischen Anionen-Austauseherharzes ("IRA-411"). Nach Abtrennen der Harze wird die Lösung im Vakuum konzentriert und getrocknet. Man erhält Amylit als farbloses Pulver.

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Claims (5)

Pcitentanwälfe ZELLENTIN υ. LUYKEN München 22 Zweibrückenttr. A IQ SJ/Hu hao 7060 Patentansprüche

1. Verfahren zur Gewinnung von Amylit aus Stärke, dadurch gekennzeichnet, daß man

(A) in einer durch Hitzeeinwirkung aus amylopektinhaltiger Stärke erhaltenen Lösung

(a) durch Einwirkung von ^-1,6-Glucosidase die^-1,6-Glukosidbindungen der Seitenketten von Amylopektin selektiv hydrolysiert und

(b) die gebildete Amylose ausfällt, sodann

(B) die in reinem Zustand erhaltene niedermolekulare Amylose von gleichmäßiger Kettenlänge

(c) katalytisch hydriert und

(d) das erhaltene Amylit mittels Ionenaustauschharz reinigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man von möglichst amylopektinreicher Stärke, vorzugsweise wachsartiger Mais- oder klebriger Reisstärke, ausgeht.

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•/f.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man eine thermisch gelatinierte Stärkeaufschlämmung durch Erhitzen bei etwa 125⁰O in ungefähr 30 min verflüssigt und die erhaltene Lösung gemäß Stufe (A) hydrolysiert.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß man in Stufe (A) als e£-1,6-Glucosidase Enzyme der Kultur von Aerobacter- oder Pseudomonas-Stämmen anwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man ijiStufe (B) die heiße Amylose-Lösung in Gegenwart eines Nickelkatalysator, vorzugsweise von Eaney-Nickel, bei Temperaturen zwischen 95 und 100⁰G und Drucken zwischen

70 und 80 kg/cm durch Wasserstoffeinleiten reduziert.

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