DE19620471A1

DE19620471A1 - Verfahren zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoid-Pigmenten aus Haematococcus pluvialis algae

Info

Publication number: DE19620471A1
Application number: DE19620471A
Authority: DE
Inventors: Meshulam-Simon Galit; Gavrieli Jonah
Original assignee: IMI Tami Institute for Research and Development Ltd
Current assignee: IMI Tami Institute for Research and Development Ltd
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1996-05-21
Publication date: 1996-12-05
Also published as: JPH09111139A; NO962225D0; CA2177752A1; GB9610213D0; NO962225L; IL113935A0; IL113935A; AU5248396A; GB2301587A; GB2301587B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Wiedergewin nung von Astaxanthin-Carotinoid-Pigmenten aus Algen. Die Erfin dung betrifft insbesondere die Wiedergewinnung von Astaxanthin- Carotinoid aus Haematococcus pluvialis.

Bekanntlich ist Astaxanthin ein kardinalrotes kristallines Ca rotinoid-Pigment, das insbesondere in den Schalen von Krusten tieren, in Hefen natürlich anzufinden ist und sich in Haemato coccus pluvialis algae ansammelt. Es wird in großem Umfang als zusätzliche Pigmentierungszusammensetzung verwendet, allgemein zum Einbau in Nahrungsmitteln und insbesondere in tierischen Nahrungsmitteln wie verschiedenen Arten von Fisch. Da die Zell wände dies es Algentyps fest und flexibel sind und sich deshalb nicht leicht zersetzen, ist das wertvolle Pigment erst nach der Wiedergewinnung aus den jeweiligen Algen verfügbar.

Nach der PCT-Veröffentlichung Nr. 89/06910 umfaßt das Verfahren das Mahlen von enzystiertem Haematococcus nach einem vorherge henden Trocknen bei kryogenen Temperaturen wie mit flüssigem Stickstoff, worauf üblicherweise die Zugabe eines Antioxidans folgt, um den Abbau des Pigments zu hemmen. Die Algen werden gegen viele Typen chemischer und physikalischer Belastungen un empfindlich und widerstehen damit herkömmlichen Mahltechniken.

Ein weiteres Verfahren, das zur Verarbeitung von Haematococcus pluvialis vorgeschlagen ist und hauptsächlich im Labormaßstab anzuwenden ist, beinhaltet eine starke Verwirbelung mit Glasku geln.

Ein anderes vorgeschlagenes Verfahren beinhaltete die Durchfüh rung einer enzymatischen Vorbehandlung mit dem Zweck, die Al genwände zu schwächen, worauf bevorzugt ein Mahlen mit Glasku geln folgt. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es einen getrennten Spül- und einen zusätzlichen Trockenschritt erfordert, um die Restenzyme aus dem Endprodukt zu entfernen. Allerdings konnte das Astaxanthinpigment mit keinem der oben erwähnten Verfahren vollständig wiedergewonnen werden.

Die neuere französische Patentanmeldung Nr. 2 703 692 bean sprucht ein Verfahren zum Erhalt von Carotinoiden aus Haemato coccus algae. Das Verfahren beinhaltet die Gefriertrocknung der enzystierten Haematococcus-Zellen bei einer Temperatur von we niger als -50°, worauf die Zugabe von Natriumchlorid und die Zerkleinerung der Zellen folgt, um Teilchen mit einer durch schnittlichen Größe von weniger als 10 µm zu erhalten. Die Ca rotinoide werden aus den zerkleinerten Haematococcus algae fer ner durch Extraktion erhalten, wobei bekannte Lösungsmittel wie Methylenchlorid, Hexan, Benzol, Aceton usw. verwendet werden. Dieses Verfahren kann zwar in einem kleinen Maßstab positive Ergebnisse liefern, allerdings ist wegen der erforderlichen strikten Bedingungen zweifelhaft, ob es in einem großen Maßstab angewendet werden kann. Außerdem scheint die Verwendung von or ganischen Lösungsmitteln für diesen Zweck ziemlich uninteres sant zu sein.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues Ver fahren zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoid-Pigmenten aus Haematococcus pluvialis algae vorzusehen. Eine weitere Auf gabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein neues Verfah ren zum wirksamen Spalten der Algenzellwände vorzusehen, bei dem keine strikten Bedingungen angewendet werden. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt ferner darin, ein einfaches Verfahren zum wirksamen Spalten von Algenzellwänden vorzusehen, das leicht in industriellem Maßstab durchgeführt werden kann.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoid-Pigmenten aus Haematococcus pluvialis algae, das folgende Schritte umfaßt: Zerkleinern der Algen in einem flüssigen Medium durch Spalten der Zellwände der Algen, die das Carotinoid enthalten und Dispergieren des resultieren den Pigments aus den Algen, dadurch gekennzeichnet, daß das Zerkleinern in einer Hochdruckvorrichtung durchgeführt wird, die aus zwei aufeinanderfolgenden Einheiten, einem Druckgefäß und einer Wechselwirkungskammer besteht, wodurch ein Schlamm aus den Algen, der mehr als 1% Feststoffe enthält und allge mein zwischen 5 und 10 Gew.-% ausmacht, in das Druckgefäß ge langt, das auf einem Druck von wenigstens 2000 psi und bevor zugt im Bereich von 3000 bis 6000 psi gehalten wird, und in die Wechselwirkungskammer befördert wird, die auf einem Druck von mehr als 10 000 psi und bevorzugt im Bereich von 13 000 bis 18 000 psi gehalten wird, wobei die Wechselwirkungskammer wenigstens einen Kanal enthält, durch den der Schlamm mit erhöhter Ge schwindigkeit geführt wird, um einen turbulenten Strahl zu er zeugen, der die Spaltung der Algenzellen und eine wesentliche Verminderung der Teilchengröße der Algen bewirkt und die zer setzten Teilchen innerhalb einer Niederdruckzone beaufschlagt, wodurch das Astaxanthin-Carotinoid-Pigment aus den zerkleiner ten Algen freigegeben und danach wiedergewonnen wird. Diese Wiedergewinnung kann entweder durch Trocknung des das Pigment enthaltenden Schlamms oder durch Extraktion des Pigments mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels durchgeführt werden. In diesem Fall kann auch daran gedacht werden, die Algenwände in Gegenwart eines organischen Lösungsmittels zu zersetzen, das dann das Pigment extrahiert. Nach dem Spalten der Algenzellwän de nimmt die Teilchengröße auf etwa 20 bis 25 µm ab.

Man hat herausgefunden, daß bei Verwendung dieses Verfahrens mehr als 95% der Algenzellwände innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums zersetzt werden. Als Resultat ergibt sich eine hohe Freisetzungsrate für das Pigment, was sich in dem sehr hohen Extraktionswirkungsgrad für das Astaxanthin-Pigment zeigt, der etwa zwei- bis dreimal höher als bei bekannten herkömmlichen Verfahren ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgen den Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen; darin zeigen

Fig. 1 ein Flußdiagramm des Verfahrens zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoiden aus Haematococcus pluvialis nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 veranschaulichend den prozentualen Spaltungsanteil als Funktion der Algenkonzentration in dem Schlamm, der in die Vorrichtung gelangt.

Nach der vorliegenden Erfindung beruht die Spaltung der Algen zellwände darauf, daß in einer Hochdruckvorrichtung ein turbu lenter Strahl auf das flüssige Gemisch erzeugt wird, das die Algen enthält. Der turbulente Strahl wird entlang einer gemein samen, von dem Gemisch gebildeten Grenzfläche erzeugt. Um einen besseren Wirkungsgrad beim Brechen der Algenwände zu erreichen, wird bevorzugt wenigstens ein wesentlicher Teil des Gemisches bei dem Druck durch die Kammer wiederverwertet, der in der je weiligen Einheit bei entsprechender Geschwindigkeit vor herrscht.

Weil das durch die Kanäle fließende Gemisch unter hohem Druck, linearer Scherkavitation und Aufprallkräften steht, entwickelt es eine hohe Geschwindigkeit. Auf diese Weise werden die gebro chenen Teilchen der Zellwände kleiner und durch das flüssige Medium dispergiert. Die festen Teilchen der das Pigment enthal tenden Biomasse werden aus der Dispersion abgetrennt, worauf die Extraktion des Pigments folgt. Als Alternative kann die ge samte Biomasse getrocknet werden.

Der Grad des Brechens der Algenzellwände und die Freigabe der Carotinoide kann nach der dem flüssigen Medium verliehenen Far be bewertet oder durch eine mikroskopische oder spektroskopi sche Untersuchung quantitativ bestimmt werden.

Nach der am meisten bevorzugten Ausführungsform wird die Beiga be eines Antioxidansreagens wie butyliertem Hydroxyanisol vor geschlagen, um jede Oxidation des Pigments zu verhindern. Man hat herausgefunden, daß nach der vorliegenden Erfindung das Pigment wirksamer als bei anderen Verfahren aus den Algen wie dergewonnen werden konnte. Die Ergebnisse der Pigmentwiederge winnung aus Algen sind in der folgenden Tabelle 1 im Vergleich zu anderen bekannten Verfahren angegeben.

Tabelle 1

Vergleich der Astaxanthin-Extraktion

Aus der obigen Tabelle ist zu schließen, daß nur das Verfahren mit Verwendung von flüssigem Stickstoff einen Freisetzungsgrad erreicht, der in der gleichen Größenordnung wie das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung liegt. Allerdings zeigt das Verfahren mit Verwendung von flüssigem Stickstoff die folgenden Hauptnachteile:

- es ist im industriellen Maßstab nicht leicht anzuwenden;
- es erfordert vorher eine Trocknung der Algen; und
- es ist viel teurer als das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist gezeigt, daß die Algenbiomasse in das Druckgefäß (Zelle 1) gelangt. In dieser Zelle wird der Arbeitsdruck im Be reich von 2000 bis 6000 psi gehalten und bewirkt die Trennung der Algenaggregate. Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Algenbiomasse wenigstens dreimal in dieser Zelle wiederver wertet, um die Ausbeute der Pigmentwiedergewinnung zu erhöhen.

Der resultierende Schlamm aus der Zelle 1 wird in die Wechsel wirkungskammer (Zelle 2) befördert, wo die Algenzellwände ge spalten werden, woraus sich eine Dispersion des Pigments in die Lösung ergibt.

Der Arbeitsdruck in der Zelle 2 liegt zwischen 10 000 und 23 000 psi und bevorzugt zwischen 13 000 bis 18 000 psi. Wie bei der Zelle 1 wird die resultierende Dispersion ebenfalls bevorzugt wenigstens viermal wiederverwertet.

Wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, kann das Astaxanthin-Pigment aus der Dispersion (Schritt 3A) extrahiert werden, worauf die Formulierung (Schritt 4A) und Trocknung (Schritt 5A) folgen.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird der Biomasseschlamm, der das Pigment enthält, direkt zu einem Formulierungsschritt (4) gefördert, wobei ein Antioxidans beigegeben wird, um die Oxidation und den Zerfall des Pigments zu verhindern.

Nach einer anderen Ausführungsform (die in Fig. 1 nicht gezeigt ist), sind Verkapselungsmittel wie Polysaccharide und Gelatine eingebaut, womit das gewünschte Pigment in spezieller Form wie dergewonnen wird.

Im letzten Schritt wird das Pigment je nach den speziellen Er fordernissen oder der beabsichtigten Verwendung getrocknet oder kristallisiert.

Fig. 2 veranschaulicht graphisch die Ergebnisse, die bei dem oben dargestellten Beispiel erhalten wurden. Daraus ist zu er sehen, daß der prozentuale Anteil der Algenspaltung eine Funk tion der Konzentration der Algen im Schlamm ist. So betrug der prozentuale Spaltungsanteil bei einer Algenkonzentration von 8,5% Feuchtgutmasse 68% nach fünf Durchläufen im Vergleich zu 94% bei einer Konzentration von 2,5% Feuchtgutmasse, eben falls nach fünf Durchgängen. Selbstverständlich hängen die Pa rameter des Verfahrens auch vom Typ der verwendeten Algen sowie von dem in der Wechselwirkungskammer aufrechterhaltenen Druck ab und können sich danach ändern, was im Beispiel 2 gezeigt wird.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläu tert, wobei sich versteht, daß diese Beispiele den Umfang der Erfindung nicht einschränken und nur zum besseren Verständnis der Erfindung angegeben sind. Der Fachmann wird nach der Lektü re der vorliegenden Beschreibung in der Lage sein, leichte Ver änderungen vorzunehmen, ohne den Umfang der Erfindung zu ver lassen, wie er durch die beigefügten Ansprüche abgedeckt ist.

Beispiel 1

Bei diesem Experiment wurde ein Schlamm aus in einem Teich im Freien gezüchteten roten Algen mit einer Konzentration von 10,8% (Gewicht/Volumen) verwendet.

Der Schlamm wurde auf vier verschiedene Feststoffkonzentratio nen verdünnt: 2,5%, 5%, 7% und 8,5% (Gewicht/Volumen). Je der Anteil (250 cc) wurde in das Druckgefäß (Zelle 1) einge bracht, wo ein Druck zwischen 2500 und 3500 psi aufrechterhal ten wurde. Um die Oxidation zu verhindern, wurde das Verfahren bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Die Strömungsrate wurde zwischen 400 und 500 ml/min gehalten.

Die resultierende Lösung wurde in die Wechselwirkungskammer (Zelle 2) befördert, wo ein Druck zwischen 13 000 und 17 000 psi aufrechterhalten wurde.

Der Grad der Algenspaltung wurde durch eine mikroskopische Zäh lung der ganzen Algen in der Meßzelle (Hämatokrit) bestimmt.

Die erhaltenen Ergebnisse sind summarisch in der folgenden Ta belle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Prozentualer Anteil der Spaltung als Funktion der Algenkonzentration

Die Abnahme des Spaltungsgrades bei der Konzentration von 8,5% erklärt sich durch die hohe Dichte des Schlamms, wodurch einige Kanäle verstopft wurden. Fig. 2 stellt die oben angegebenen Er gebnisse graphisch dar.

Beispiel 2

Eine Menge von 250 cc eines Schlamms aus roten Algen mit 36 g/l (auf Trockenbasis) wurde in die Zelle 1 eingebracht, wo ein Druck im Bereich von 2000 bis 4500 psi aufrechterhalten wurde, und der Schlamm wurde viermal wiederverwertet. Die Temperatur wurde auf etwa 25°C gehalten, um die Oxidation des Pigments zu verhindern.

Die resultierende Lösung wurde in die Wechselwirkungskammer (Zelle 2) befördert, wo ein Druck von 11 000 psi aufrechterhal ten wurde.

Der Grad der Algenspaltung wurde durch eine mikroskopische Zäh lung der ganzen Algen der Lösung in der Meßzelle bestimmt, und er betrug 84%.

Das gleiche Experiment wurde wiederholt, aber die Lösung aus der Zelle 1 wurde in die Wechselwirkungskammer (Zelle 2) beför dert, wo ein Druck zwischen 13 000 bis 17 000 psi aufrechterhal ten wurde.

In diesem Fall betrug der Grad der Algenspaltung mehr als 95%; er wurde wie oben bestimmt.

Claims

1. Verfahren zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoid- Pigmenten aus Haematococcus pluvialis algae, das folgende Schritte umfaßt:

- Zerkleinern der Algen in einem flüssigen Medium durch Spalten der Zellwände der Algen, die das Carotinoid enthalten und
- Dispergieren des resultierenden Pigments aus den Algen,
dadurch gekennzeichnet, daß

das Zerkleinern in einer Hochdruckvorrichtung durchgeführt wird, die aus zwei aufeinanderfolgenden Einheiten, einem Druck gefäß und einer Wechselwirkungskammer besteht, wodurch ein Schlamm aus den Algen, der mehr als 1% Feststoffe enthält und allgemein zwischen 5 und 10 Gew.-% ausmacht, in das Druckgefäß gelangt, das auf einem Druck von wenigstens 2000 psi gehalten wird, und in die Wechselwirkungskammer befördert wird, die auf einem Druck von mehr als 10 000 psi gehalten wird, wobei die Wechselwirkungskammer wenigstens einen Kanal enthält, durch den der Schlamm mit erhöhter Geschwindigkeit geführt wird, um einen turbulenten Strahl zu erzeugen, der als Ergebnis der Wandzer setzung die Spaltung der Algenwände bewirkt und die zersetzten Teilchen innerhalb einer Niederdruckzone beaufschlagt, wodurch das Astaxanthin-Carotinoid-Pigment aus den zerkleinerten Algen freigegeben und danach wiedergewonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gefäßdruck auf einem Druck im Bereich von 3000 bis 6000 psi gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in der Wechselwirkungskammer zwischen 11 000 und 23 000 psi gehalten wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment durch Trocknen der resultierenden zersetzten Algen zellen wiedergewonnen wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pigment durch Extraktion aus den resultierenden zersetzten Algenzellen durch ein organisches Lösungsmittel wiedergewonnen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Brechen der Algenzellwände gesteigert wird, indem ein vor bestimmter Anteil des die Algenbiomasse enthaltenden Gemisches durch die Vorrichtung wiedergewonnen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß während des Verfahrens ein Antioxidans beigegeben wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Antioxidans butyliertes Hydroxyanisol ist.

9. Verfahren zur Wiedergewinnung von Astaxanthin-Carotinoid- Pigmenten aus Haematococcus pluvialis algae, im wesentlichen nach der Beschreibung und einem der Ansprüche 1 bis 8.