DE2151534A1 - Verfahren zur enzymatischen Spaltung von Lactose von Milch und Milchderivaten und die dabei erhaltenen Produkte - Google Patents

Description

Dr. F. Zumsteln sen. - Dr. E. Assmann Dr. R. Koenlgsberger - DIpl.-Phys. R. Holzbauer - Dr. F. Zumsteln Jun.

PATENTANWÄLTE

POSTSCHECKKONTO: MÜNCHEN 91139

BANKKONTO: BANKHAUS H. AUFHÄUSER

8 MÜNCHEN 2.

Case 426

SNAM PEGOETTI S.p.A., Mailand / Italien

Verfahren zur enzymatisehen Spaltung von Lactose von Milch und Milchderivaten und die dabei ertm'Ltenen Pro-

dukte

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatischen Spaltung von Lactose, die in Milch und Milchderivaten enthalten ist und die dabei erhaltene Milch, die eine geringere Menge Lactose enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß man die Milch mit einem Enzym behandelt, das für die Spaltung von Lactose zu Glucose und Galactose geeignet ist. Ein derartiges Enzym, das im wesentlichen Galactosidase ist, wird durch das Einarbeiten in ein Trägermaterial unlöslich gemacht und kann nach Ablauf des Verfahrens zurückgewonnen werden. Es ist bekannt, daß es sehr vorteilhaft ist, Milch herzustellen, deren Lactose teilweise zu Glucose und Galactose hydrolysiert wurde. Es gibt diätetische Gründe für eine bessere Verträglichkeit, durch die der Verbrauchermarkt beträchtlich erweitert werden könnte. Die Einführung der hydrolysierten Milch in Tierdiätnahrungen führt zu bemerkenswerten Vorteilen hinsichtlich des Wachstums und der Nährung der Tiere.

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Weiterhin ergeben sich wichtige technologische Gründe. Venn die Milch auf einen Peststoffgehalt von größer als 30 % konzentriert ist, wird es sehr schwierig, eine derartige Milch haltbar zu machen, da ein Teil der Lactose auskristallisiert und zu einem koagulierenden Protein führt. Derselbe Nachteil ergibt sich in der Speiseeisindustrie, da es nicht möglich ist, wegen der Kristallisation der Lactose, die nur schwierig wieder gelöst werden kann, Milch mit einem hohen leststoffgehalt zu verwenden.

Es wurden verschiedene Verfahren vorgeschlagen, um diese Nachteile zu überwinden. So z.B. die Hydrolyse von Lactose bei hohen Temperaturen, die Behandlung mit Ionenaustauscherharzen und die · Zugabe von Riboflavin.

Das erste Verfahren bewirkt eine Proteinausfällung; das zweite Verfahren verändert das natürliche Salzgleichgewicht der Milch und das dritte Verfahren, obwohl es das Ausfallen der Lactose vermeidet, benutzt ein sehr teures Additiv und löst nicht die diätetischen Probleme.

Demzufolge wurde besonderer Wert auf das Verfahren enzymatischer Hydrolyse gelegt. Die Verwendung von Enzymen in Lösung fand breite Anwendung, jedoch verleiht die Zugabe der leicht zugänglichen Enzyme der Milch einen unangenehmen Geschmack. Weiterhin muss nach Ablauf der Behandlung das Enzym inaktiv gemacht werden und

verbleibt als denatur iertes Enzym in der Milch. Weiterhin

benötigt das Verfahren eine sehr große Menge von Enzymen (2 bis 4 %, bezogen auf das Gewicht der Lactose in Abhängigkeit von der Aktivität des Enzyms), wodurch die Verfahrenskosten erheblich beeinflußtwerden.

Ein anderer Faktor, der die Anwendung dieses Verfahrens beschränkt, beruht auf den mikrobiologischen Schwierigkeiten, die durch ein so durchgeführtes Hydrolyseverfahren sich ergeben.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein billiges und technisch interessantes Verfahren zur Spaltung der in Milch und Milchderivaten enthaltenen Lactose zur Verfügung zu stellen,

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das die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Milch oder ein Milchderivat zur Verfugung zu stellen, deren Lactosegehalt durch eine teilweise oder vollständige Spaltung in Glucose und Galactose ohne Zugabe fremder Mittel vermindert wurde.

Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Anwendung eines Enzyms erreicht, das gemäß dem in der italienischen Patentschrift 836 462 beschriebenen Verfahren in Fasern eingeschlossen ist.

Gemäß diesem Verfahren ist es in wirtschaftlicher und einfacher Weise möglich, faserartige Strukturen zu erhalten, die das Enzym in dauerhafter beständiger Weise umhüllen.

Wenn die genannten Fasern in einer Kolonne angeordnet werden, kann das Produkt in kontinuierlicher Weise, die leicht zu automatisieren ist, behandelt werden. Der ununterbrochene Betrieb vereinfacht die bakteriologischen Probleme erheblich, da es möglich ist, Vorsichtsmaßnahmen :iu ergreifen, die mit anderen Verfahren nicht durchzuführen sind.

Die Fasern können in gewissen Fällen mit einem geeigneten Waschmittel gewaschen werden. Die Waschflüssigkeit kann mit einem Bakterizide versetzt werden, um die Fasern, die Leitungen und die verwendeten Gefäße zu desinfizieren.

Als Bakterizide ergeben quaternäre Ammoniumsalze sehr gute Ergebnisse, da viele dieser Materialien keine schädliche Wirkung f auf die umhüllten Enzyme ausüben. ' ^

Weiterhin vereinigen manche dieser Materialien eine bakterzide Wirkung mit einer Waschwirkung und diese Tatsache ist wegen der bakteriziden Wirkung der genannten quaternären Ammoniumsalze, die durch organische Reste stark gehindert sind, sehr wichtig.

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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Tatsache, daß in der Milch kein Additiv verbleibt, was der Fall ist, wenn die Hydrolyse mit Hilfe löslicher Enzyme durchgeführt wird. Demzufolge ist es nicht erforderlich, ein Erhitzungsverfahren durchzuführen, um das Enzym zu denaturisieren und es ergibt sich in der "behandelten Milch kein unangenehmer Geruch.

Der Hauptvorteil liegt darin, daß man ein derartiges umhülltes Enzym über lange Zeit verwenden kann, wodurch man eine sehr grosse Menge des Materials ohne wesentlichen Abfall der hydrolytischen Aktivität des Enzyms behandeln kann. Eine Probe der Enzym-Faser behielt ihre Aktivität während 60 Tagen, während denen Zyklen der Hydrolyse der Lactose drr Milch durchgeführt wurden, bei.

Die gleiche Menge cer in einer Glaskolonne angeordneten Enzym-Faser hydrolysierte dia Lactose der Milch ohne Aktivitätsabfall während langer als einem Monat.

Das Verfahren zum Umhüllen der Enzyme erlaubt weiterhin,Fasern herzustellen, die eine unterschiedliche Aktivität aufweisen, wodurch es möglich ist, die Kontaktzeit zwischen dem zu tehandelnden Material und dem Enzymträgermaterial zu verkürzen. Die erfindungsgemäße Behandlung kann mit Milch als solcher (Vollmilch), mit teilweise entrahmter Milch (Magermilch) oder mit konzentrierter Milch erfolgen. Das Verfahren kann auch auf Molke angewandt werden.

Das zu verwendende Enzym ist ß-Galactosidase.

Die Faser kann durch Cellulosesubstanzen, wie Celluloseacetat, ί oder durch ein synthetisches Polymerist oder Mischpolymerisat, wie Polyamid, Polyacrylnitril, Polyacrylat, Polymethacrylat, Polyvinylchlorid, Polyvinylester, Polyvinylbutyral u. dgl. gebil det werden.

Sehr gute Ergebnisse erhält man, wenn man Cellulosetriacetat einsetzt.

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Pie folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung weiter erläutern, ohne sie jedoch zu beschränken.

Beispiel 1

Herstellung des unlöslichen Enzyms:

24-,6 g Cellulosetriacetat (Fluka) wurden unter Rühren in 260 g Methylenchlorid (C. Erba) in einem Reaktionsgefäß gelöst.

Andererseits wurde die Enzymlösung hergestellt: 1,4-3 g ß-Galactosidase (BDH) wurden in eine Glycerin/Wasser-Mischung (20/80 Volumen/Volumen) gelöst, wobei man das Endvolumen auf 50 ml brachte. Die Lösung wurde in einer gekühlten Zentrifuge (-10⁰C) zentrifugiert.

Aus der klaren Lösung wurden 32 ml entnommen und zu der Polymerisatlösung gegeberi Die Emulsion der Phasen erfolgbe durch heftiges Rühren währeLd 30 Minuten bei O⁰C. Dann wurde das Material in eine Spinnvorrichtung bei 6°C eingegossen und unter Stickstoffdruck versponnen. Die Faser wurde in !Toluol bei Raumtemperatur· ausgefällt und auf einer Haspel aufgewickelt. Die Faser wurde dann im Yakuum über Nacht zur Entfernung des Toluols getrocknet.

Beispiel2

Es wurde eine Kolonne mit einem inneren Durchmesser von 25 bhq und einer Länge von 400 mm verwendet. Diese Kolonne wurde mit 50 g der gemäß Beispiel 1 erhaltenen Enzymfaser gefüllt, wobei die Faser statistisch angeordnet und gepresst wurde, um das ganze Kolonnenvolumen auszufüllen. Die Kolonne wurde dann mit einem thermostatischen Mantel, der mit Wasser mit einer Temperatur von 25°C bespült wurde, versehen.

Mit Hilfe einer Meßpumpe wurde Milch (Lactosegehalt 4·,9 %; Lipoid-

gehalt 1,1 %) aus eii^m Gefäß, indem sie bei +4-⁰C gehalten wurde, entnommen. Die Milch wurde durch einen Wärmeaustauscher, indem ihre Temperatur auf 25°C erhöht wurde, geführt, zum Unterteil der Kolonne gebracht, durch die Enzymfaser getrieben und aus dem Oberteil der Kolonne über einen Austauscher, in dem die

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Temperatur der Mischung +4⁰C erniedrigt wurde, geleitet. Die Pumpen wurden so reguliert, daß sich ein Fluß von 150 ml/ Stunde ergab. Die bei dem Betrieb austretende Milch zeigte einen um 55 % hydrolysieren Lactosegehalt.

Beispiel 5

Unter Anwendung des in Beispiel 2 beschriebenen Verfahrens wurde die Kolonne mit Milch beschickt, wobei die Fließgeschwindigkeit Q variiert wurde. Der Grad der Hydrolyse der Lactose der austretenden Milch wurde dann bestimmt. Es wurden die im folgenden angegebenen experimentellen Werte erzielt:

Durchfluß (Q) Jil/Stunde

150

500

600 1200 3200

HydroIysierte Lactose % 53,00 28,00 18,20

9,20

2,50

Beispiel 4

Diese Untersuchung wurde durchgeführt, indem die gleichen 50 g des Enzymfilaments, die in der gleichen Kolonne wie in Beispiel 2 beschrieben angeordnet waren, verwendete. 380 ml Milch (Lactosegehalt 4,95 %; Lipoidgehalt 1,1 %) wurden mehrfach über die Enzymfaser geführt und der Hydrolysegrad der Lactose wurde im Verlaufe der Zeit in Funktion des Durchflusses (Q) bestimmt. Die Arbeitstemperatur wurde bei 25°C gehalten. Die erhaltenen experimentellen Werte waren die folgenden.

Zeit

50 Min.

45 Min.

60 Min.

90 Min. 120 Min. 150 Min. 180 Min.

Hydrolysierte Lactose % Q = 800 ml/Std. Q = 5200 ml/Std.

11,80	10,80
21,50	19,10
25,70	25,60
55,70	55,00
41,00	44,50
47,00	50,20
52,50	55,00
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(Fortsetzung) Hydrolysierte Lactose %

Zeit Q= 800 ml/Stunde Q = 3200 ml/Stunde 210 Min. · 59,00 63,00

240 Min. 63,50 67,00

Beispiel 5

Unter Anwendung der in der gleichen Kolonne angeordneten gleichen 50 g Enzymfasern wurde der Einfluß der Temperatur auf die Verfahrensergebnisse untersucht. 380 ml Milch wurden wiederholt über die Enzymfaser geführt, wobei der Hydrolysegrad nach einer Stunde bestimmt wurde. Die !Pumpe wurde bei einem Durchfluß von ml/Stunde betrieben, währenddem die Arbeitstemperatur verändert wurde.

Temperatur Hydrolysierte Lactose % nach 1 Stunde 15°C 17,^5

25°C 22,80

35°C 29,54

Beispiel 6

Es wurden wiederum die gleichen 50 g Enzymfasern, die in der gleichen Glaskolonne angeordnet waren, verwendet. Durch diese "Kolonne wurden 380 ml teilweise entrahmte Milch (LipoJdgehalt 1,1 %) wiederholt geführt. Der Hydrolysegrad wurde in Punktion der Zeit bestimmt. Der Pumpenfluß und die Betriebstemperatur wurden konstant gehalten. Die experimentellen Werte zeigen die Veränderung des Hydrolysegrades der Lactose mit der Zeit.

Zeit Hydrolysierte Lactose %

1 Std. 20,60 ^

2 Std. 36,30 (

3 Std. 47,20

4 Std. 56,20

5 Std. 62,40

6 Std. 73,40

7 Std. 79,40

8 Std. 88,00

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Beispiel 7

Unter Anwendung des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens wurden 50 g einer Enzymfaser hergestellt, die 75 mg ß-Galactosidase (BDH) pro Gramm enthielt. Die Paser wurde in statistischer Weise in einer Glaskolonne mit einem Durchmesser von 25 mm "und einer Länge von 400 mm angeordnet.

Eine teilweise entrahmte Milch (Lipddgehalt 1,1 %\ Lactosgehalt 4,8 °/o) wurde mit einem Durchsatz von 150 ml/Stunde bei einer Temperatur von 25°C in die Kolonne eingeführt. Die Analyse der aus der Kolonne austretenden Milch zeigte einen Hydrolysegrad der Lactose von 81,4 %.

Beispiel 8

Das Beispiel 7 wurde wiederholt, wobei die TLolonne mit Vollmilch (3,5 % Lipddgehalt und 4,85 °/° Lactosegehalt, beschickt wurde. Die Lactosehydrolyse betrug 76 %.

Beispiel 9

Das Beispiel 7 wurde wiederholt, wobei die Kolonne mit Magermilch (Lipddgeha] t 0,3 %; Lactosegehalt 5»10 %) beschickt wurde. Die Lactose der Milch wurde zu 78 % hydrolysiert.

Beispiel 10

Das Beispiel 7 wurde wiederholt, wobei die Kolonne mit Molke (Lactosegehalt 4,9 %) bei einem pH-Wert von 6,7 beschickt wurde. Die Lactose der Molke wurde zu 72 % hydrolysiert.

B e i s ρ i e 1 11 ,---

Gemäß dem in Beispiel 1 angegebenen Verfahren wurden 50 g Enzym- ^ fasern hergestellt, die 75 mg ß-Glactosidase (BDH) enthielten. Bei der Herstellung der Emulsion wurde ein Verhältnis der Wasserphase (Volumen/ml) zu trockenem Polymerisat (Gewicht/g) von 1,6 verwendet. Die poröseren Fasern wurden in einer Kolonne mit einem Durchmesser von 25 mm und einer Höhe von 250 mm angeordnet. Die Kolonne wurde dann mit Milch (Lipddgehalt 1,1 %) mit einem Durchsatz von Q = 3OO ml/Stunde beschickt, während die Kolonne auf

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25°C thermostatisiert vnirde. Die aus der Kolonne austretende Milch sseigte einen zu 66 °/o hydrolysieren Lactosegehalt.

Beispiel 12

2 g Enzymfasern wurden mit 50 ml teilweise entrahmter Milch in einem 15O ml-Kolben in Berührung gebracht. Der Kolben wurde, währenddem er auf 25°C thermostatisiert wurde, auf einem Schüttelbad gehalten. Nach 4 Stunden wurde die Milch von den Fasern abgetrennt und die bakteriologische Belastung und der Prozentsatz der hydrolysierten Lactose wurden bestimmt.

Die gut gepressten Enzymfasern wurden gut mit einer geeigneten Lösung aus einem Waschmittel und einem Bakterizid gewaschen. Fach dem Pressen und Trocknen zwischen Filterpapierblättern wurden die Fasern erneut unter den gleichen Bedingungen verwendet. Daraufhin wurden erneut Arbeitszyklen durchgeführt und der Grad der Lactosehydrolyse und die bakteriologische Belastung ler behandelten Milch nach Ablauf jedes Zyklus bestimmt. Es wurden verschiedene quaternäre Ammoniumsalze gemäß dem angegebenen Verfahren untersucht, um ihre Wirkung auf das Enzym und die Mikroorganismen zu bestimmten. Materialien dieser Art sind die folgenden: Fiirdi 7 (Farmitalia), Straminol (Bracco), Benzalkoniumchlorid und Anfocid (Gianni), Tego 51 (Italian Tego), Steramin H (Formenti) als auch andere antibakterielle Mittel, wie Phenol, Wasserstoffperoxyd, Hypochlorid, Jodoform und Antibiotika.

Die besten Ergebnisse erhielt man unter Anwendung der quaternären Ammoniumsalze, insbesondere unter Anwendung von Steramin H und Fardi 7.

Während des obenangegebenen ansatzweisen Verfahrens wurde die enzymatische Aktivität bestimmt. Es konnten 80 Hydrolysezyklen für die Lactose von Milch mit der gleichen Enzymfaser-Probe durchführt werden, wobei die Aktivität konstant blieb.

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Beispiel 13

Es mirde eine Kolonne (Durchmesser 25 mm, Höhe 400 mm) und 50 g gemäß Beispiel 1 erhaltene Enzymfasern,die mehrere Tage verwendet wurden, eingesetzt. Nach der Verwendung wurde die Faser jeweils mit einer wässrigen Lösung, die 0,25 % Steramin H enthielt, "bei Kaumtemperatur gewaschen. Nachdem die Waschflüssigkeit entfernt worden war, wurden 500 ml Milch in einem geschlossenen
Kreislauf geführt. Der Pumpendurchsatz betrug 500 ml pro Stunde und die Arbeitstemperatur 25°C· Nach gewissen Zeitdauern wurden der Hydrolysegrad und die bakteriologische Belastung der behandelten Milch bestimmt. Die erhaltenen experimentellen Daten waren die folgenden:

Zeit	hydrolysierte Lactose %	Mikroorganismen pro ml
60 Min.	18,8	120 000
95 Min.	28,4	170 000
120 Min.	33,6	300 000

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Claims (11)

- 11 Patentansprüche

1. Verfahren zur enzymatisehen Spaltung von Lactose von Milch oder Milchderivaten, dadurch gekennzeichnet, daß die Lactose mit ß-Galactosidase, die in einer Faser enthalten ist, "behandelt wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es kontinuierlich durchgeführt wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enzymreaktion durch Waschbehandlungen mit Waschmitteln unterbrochen wird.

4-, Verfahren gemäß Anspruch 3j dadurch gekennzeichnet, daß die Waschlösun^ mit einem Bakterizid versetzt ist.

5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bakterizid ein quaternäres Ammoniumsalz ist.

6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Paser aus einem Cellulosederivat, einem synthetischen Polymerisat oder Mischpolymerisat, wie einem Polyamid, einem Polyacrylnitril, einem Polyacrylat, einem Polymethacrylat, einem Polyvinylchlorid, einem Polyvinylester oder einem Polyvinylbutyral besteht.

7· Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymhaltige Faser aus Cellulosetriacetat besteht.

8. Zusammensetzung, die im wesentlichen aus Milch oder einem Milchderivat besteht, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine verminderte Lactosekonsentration, Glucose und Galactose in einer der Spaltung der Ausgangslactose entsprechenden Menge und keinen Fremdstoff enthält.

9. Zusammensetzung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Milchderivat teilweise entrahmte Milch

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(Magermilch) ist.

10. Zusammensetzung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Milchderivat konzentrierte Milch ist.

11. Zusammensetzung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das eingesetzte Milchderivat im wesentlichen Molke ist.

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