DE2224680C3 - Verfahren zur Herstellung von La ctulose sirup - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Lactulosesirup mit, bezogen auf den Feststoffgehalt, mehr als 80% Lactulose.

Nach herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Lactulose wird Ca(OH)₂. CaO, KOH, K₂HPO₄, Na₂HPO₄ oder Ba(OH)₂ ■ 8 H₂O als alkalisches Mittel in Mengen von 0.2 bis 5,0 Teilen pro 100 Teile Lactose zu einer Lactoselösung hinzugegeben, die zur Isomerisierung von Lactose zu Lactulose bei Temperaturen von Zimmertemperatur bis 100^rC 10 Minuten bis 2 Tage lang aufgeheizt bzw. stehengelassen wird, wobei (bezogen auf die eingesetzte Lactose) 15 bis 40% Lactulose gebildet werden. Anschließend werden Nebenprodukte, insbesondere Galactose durch Bromolyse. Elektrolyse usw., entfernt.

Aus Ernährungsforschung, Bd. 12,1967, S. 642 bis 643, ist es bekannt. Lactose mit Calciumhydroxid und Kaliumhydroxid zu Lactulose zu isomerisieren. Die Lage des Gleichgewichts soll durch die Menge des zugegebenen Alkalis beeinflußbar sein. Offensichtlich in Hinblick auf Nebenprodukte, wie z. B. Onsäuren, wird von einer Laugezugabe bis zur optimalen Gleichgewichtskonzentration abgeraten; es wird eine Alkahmenge entsprechend einer Normalität von 0,05 vorgeschlagen und der Eindruck erweckt, daß die Lactose-Ausgangskonzentration nicht kritisch ist. In J. Am. Chem. Soc, 82,1960, S. 4975 bis 4979, insbesondere Fig. 6, wird das Ergebnis der Verwendung von Natriumhydroxidlösungen als Katalysator bei der Isomerisierung von Lactose beschrieben. Wenn man aus den für die Kurven A und B angegebenen Bedingungen die eingesetzten Natriumhydroxidmengen berechnet, beträgt das Verhältnis von für Lactose eingesetztem Natriumhydroxid bei den Kurven A und 5834 bzw. 278%. Aus Fig. 6 ist zu entnehmen, daß bei der Verwendung derartiger Mengen an Natriumhydroxid die Lactulose unmittelbar nach der Bildung in 20 bis 40 Sekunden zersetzt wird. Ein derartiges Verhältnis an Natriumhydroxid ist daher für technische Verfahren ungeeignet. Entsprechendes gilt für das aus der JA-Patentanmeldung 10178/68 (OE-Patentanmeldung A 3 371/52) bekannte Verfahren, bei dem mit einer Menge von 2% Natriumhydroxid, bezogen auf das Lactosegewicht, isomerisiert wird; das erhaltene Produkt wird nicht zur Gewinnung eines hochprozentigen Lactulosesirups, sondern zur Herstellung von Nährpräparaten verwendet. Bei diesen bekannten Verfahren wird der Umwandlung von Lactose zu Lactulose bzw. der Lactuloseausbeute das Hauptinteresse gewidmet, während der Bildung von Nebenprodukten keine Aufmerksamkeit geschenkt wird. Zwar kann die Reinheit der Lactulose durch Entfernung von Galactose und Nebenprodukten durch Bromolyse oder Elektrolyse, wie oben angedeutet, verbessert werden, jedoch ist diese Abtrennung von Galactose und Nebenprodukten durch Bromolyse oder Elektrolyse außerordentlich kompliziert und teuer.

In der US-PS 35 46 206 wird schließlich angegeben, daß die Isomerisierung in Gegenwart von Natriumhydroxid lange Zeitspannen erfordert, d. h. mehrere Tage, und niedrige Ausbeuten von 15 bis 25% Hefen.

Ziel der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung von Lactulose mit hoher Reinheit mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, zumindest 80% Lactulose, das weniger aufwendig und damit wirtschaftlich günstiger ist und in industriellem Maßstab durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung von Lactulosesirup mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, mehr als 80% Lactulose gelöst, bei dem man eine wäßrige Lactoselösung mit einer wäßrigen natriumhydroxidhaltigen Losung mischt, aufheizt und die resultierende Lactulose in bzw aus der Reaktionsmischung aufkonzentriert. wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß die auf das Lactosegewicht bezogene Natriumhydroxidmenge 0.27 bis 0,54% betragt und daß man das Gemisch auf zummdest 70⁰C aufheizt.

Do- Einfluß unterschiedlicher Faktoren auf die prozentuale Bildung von Lactulose aus Lactose und das Verhältnis von erzeugter Galactose zu erzeugter Lactulose (nachfolgend als GlL bezeichnet) bei der Isomerisierungsreaktion auf die Erzielung von Lactulose mit hoher Reinheit und die möglichst weitgehende Verminderung der gleichzeitig gebildeten Galactosemenge sowie die Erzielung einer dabei möglichst hohen Umwandlung von Lactose zu Lactulose näher untersucht. Dabei wurde gefunden, daß die Verwendung von Natriumhydroxid als alkalisches Mittel bei der Isomerisierung von Lactose zur Verminderung der Galactosebildung und Erzielung von Lactulose in hoher Ausbeute am wi; ksamsten und wirtschaftlichsten ist.

Weiter wurde gefunden, daß cn Lactulosesirup von relativ hoher Reinheit mit weniger Nebenprodukten durch Aufheizen einer solchen Natriumhydroxid enthaltenden Lactosemischung unter Bedingungen erzielt werden kann, bei denen die Natriumhydroxidmenge im Vergleich zu den bekannten Verfahren außerordentlich gering ist.

Im Diagramm ist die Beziehung zwischen der prozentualen Umwandlung von Lactose in Lactulose und dem Verhältnis Gl L dargestellt, die nachfolgend mehr im einzelnen betrachtet wird.

Wie oben erwähnt ist, werden bei der Isomerisierung von Lactose mit Natriumhydroxid neben Lactulose unterschiedliche Nebenprodukte erzeugt, unter denen vor allem die Galactose vorherrscht, die vom Produkt außerordentlich schwierig abzutrennen ist, was die Reinigung erschwert. Dabei nimmt die während der Isomerisierung der Lactose gebildete Galactosemenge mit der prozentualen Erzeugung von Lactulose zu. Bei der Herstellung von Lactulosesirup mit hoher Reinheit ist nun jedoch nicht nur die woitestmögliche Verminderung der erzeugten Gaiactosemenge von Interesse, sondern auch eine möglichst hohe Umwandlung von Lactose in Lactulose.

Von bedeutendem Einfluß auf die Umwandlung von

Lactose in Lactulose und das Verhältnis GIL bei der Isomerisierungsreaktion sind die Art und Menge des verwendeten alkalischen Mittels, die Reaktionstemperatur und Reaktionszeit usw. Gemäß der Erfindung wird nun Natriumhydroxid als alkalisches Mittel gewählt, da überraschenderweise gefunden wurde, daß das Verhältnis GIL bei Verwendung von Natriumhydroxid im Vergleich zur Anwendung anderer alkalischer Mittel kleiner ist, selbst wenn die Umwandlung von Lactose zu Lactulose relativ hoch ist
Die in der nachfolgenden Tabelle 1 aufgeführten

IO

Ergebnisse von Vergleichsversuchen zeigen die vorteilhafte Wirkung geringer Natriumhydroxidmengen. Die jeweils gewählten Bedingungen sind in den Spalten 1 bis 4 angegeben und die damit erzielte prozentuale Umwandlung von Lactose in Lactulose sowie das Verhältnis GlL sind in den Spähen 5 und 6 aufgeführt. Dabei wurden Lactulose und Galactose nach dem Verfahren von S wee ley (LA.C.S. 85 [1963] 2497) bestimmt und die prozentuale Umwandlung von Lactose in Lactulose und das Verhältnis GIL nach folgenden Gleichungen ermittelt:

Prozentuale Umwandlung von Lactose in Lactulose = Menge der erzeugten Lactulose

eingesetzte Menge an Lactose"
^der gebildeten Galactose

GjL =

Menge der erzeugtenTactulose

Tabelle 1

Aiicalisches	Mittel	Reaktions	Zeit	Um	G/L
		bedingungen		wand
				lung
			30 Min.	von Lac
An	Menge	Tempe	24 Std.	tose in
	(%)·)	ratur	5 Min.	Lactu
		CQ	5 Min.	lose (%)
Ca(OH);	1.0	85	5 Min.	21,3	0.25
KOH	0,525	37	11,0	0,13
NazCOj	1,0	90	12,0	0,17
NaOH	0,27	90	14,3	0,10
NaOH	0,54	90	21,4	0,15

*) Be/Ggui auf die Lactosemenge.

Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, ist die Galactosebildung bei Verwendung von Natriumhydroxid im Vergleich zur Anwendung von Calciumhydroxid bei vergleichbarer Ausbeute an Lactulose vermindert (auf 60% des mit Ca(OH)2 gefundenen Wertes), wobei die Menge an alka'ischem Mittel auf die Hälfte und die Reaktionsdauer auf Ve bei Verwendung von Natriumhydroxid verringert sind.

Daraus folgt, daß Natriumhydroxid als alkalisches Mittel für die Isomerisierung von Lactose zu Lactulose besonders geeignet ist. Die zweckmäßigerweise zu wählende Menge an Natriumhydroxid ergibt sich aus folgendem Versuch: Zu einer wäßrigen Lösung von handelsüblich erhältlicher eßbarer Lactose mit einer Konzentration von 30% (GewVGew.) wurden, bezogen auf das Gewicht der Lactose, 0,1 bis 1,5% Natriumhydroxid in Form einer wäßrigen Lösung hinzugegeben und die resultierende Mischung 30 Sekunden bis 5 Minuten lang auf 90⁰C erhitzt. In der erhaltenen Reaktionslösung wurden Galactose una Lactulose quantitativ bestimmt und die Umwandlung von Lactose in Lactulose und das Verhältnis GlL aus den gefundenen Werten ermittelt. Die Ergebnisse sind in der Zeichnung dargestellt.

Wie man sieht, zeigt die Beziehung zwischen der prozentualen Ausbeute an Lactulose und dem Verhältnis GIL zunächst einmal unabhängig von der zugesetzten Natriumhydroxidmenge eine gewisse Proportionalität, wobei von einer Lactuloseausbeute von 21,4% an aufwärts ein deutlich rascherer Anstieg des Verhältnisses GIL zu verzeichnen ist Um also die Bildung von Galactose bei möglichst hoher Lactuloseausbeute möglichst gering zu halten, sollte die Ausbeute nicht höher als 21,4% und das Verhältnis nicht höher als 0,15 Das heißt, Lactulosesirup von hoher Reinheit mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, mehr als 80% Lactulose, kann stets erhalten werden, wenn das als alkalisches Mittel dienende Natriumhydroxid in einer Menge verwendet wird, die geringer ist als diejenige, die dem rascheren Anstieg oberhalb des Knickpunktes der Kurve entspricht, an dem das Verhältnis GIL bei 0,15 liegt

Wenn allerdings die Lactoseumwandlung mit ebenfalls kleiner werdendem GIL zu stark abfällt, muß zur Erzielung eines Lactuiosesirups von hoher Reinheit ein unerwünscht komplizierteres Eineng- bzw. Aufkonzentrierverfahren angewandt werden. Um also einen Lactulosesirup mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, mehr als 80% zu erhalten, sollte das Verhältnis GIL zumindest bei 0,1 und die prozentuale Lactuloseausbeute bei zumindest 143% liegen. Die dieser Bedingung genügende Natriumhydroxidmenge errechnet sich zu 0,27 bis 0,54% (bezogen auf die eingesetzte Lactose). Die bei obigem Versuch angewandte Natriumhydroxidmenge und die maximale Umwandlungsrate von Lactose zu Lactulose sind in Tabelle 2 wiedergegeben. Die Beziehung zwischen der Umwandlung von Lactose in Lactulose und der Natriumhydroxidmenge wird durch Gleichung (1) wiedergegeben.

45 Tabelle 2	50	0,1	Maximale Umwandlung von
Zugesetzte Menge	0,166	Lactose zu Lactulose (0Io)
NaOH (%) bezogen auf die Lactose	0,27
0,333	6,0
55 0,54	9,8
0,666	14,3
0,835	16.7
1,0	21,4
1,166	22,9
60 1.33	24,7
1,50	25,8
	26,3
28,0
28,5

Prozentuale Umwandlung
₆, von Lactose zu Lactulose (%)

\ (Il

Aus der Gleichung (1) und dem zweckmäßigen Bereich (14,3 bis 21,4%) für die prozentuale Umwandlung von Lactose in Lactulose ergibt sich für die am geeignetsten erscheinende Menge an Natriumhydroxid zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens folgender Ausdruck:

14,3 g \ 1

1 +6,15(NaOH %)'

ύ 21,4,

entsprechend Werten zwischen 0,27 und 0,54%.

Aus den vorstehenden Erläuterungen folgt, daß bei Verwendung von weniger als 0,54% Natriumhydroxid (bezogen auf die Lactose) stets ein Lactulosesirup mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, mehr als 80% Lactulose durch Aufkonzentrieren der Lactulose in der Reaktionsflüssigkeit unabhängig von der Konzentration der wäßrigen Lactuloselösung, der Aufheiztemperatur und der Aufheizdauer erhalten werden kann. In diesem Zusammenhang ist es praktisch, die Lactose innerhalb eines Bereiches von 14,3 bis 21,4% Lactuloseproduktion und 0,1 bis 0,14 GlL-Verhältnis zu isomerisieren.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Mischlösung aus wäßriger Lactoselösung und Natriumhydroxidlösung vorzugsweise auf Temperaturen über 70⁰C erwärmt.

Die Reaktionsgeschwindigkeit der Lactose-Isomerisierung unter Verwendung von Natriumhydroxid nimmt mit der Temperatur zu. und es besteht eine bestimmte Beziehung zwischen der Temperatur und der Aufheizdauer. Bei erhöhten Temperaturen kann also die Isomerisierungsreaktion innerhalb kürzerer Zeiten erreicht werden. Eine Temperatur unter 70⁰C ist wegen der dann ausgedehnteten Reaktionszeit praktisch unerwünscht. Zur Beendigung der Reaktion innerhalb kurzer Zeiten ist eine relativ hohe Temperatur, die bei hohen Werten wie 130°C liegen kann, bevorzugt. Unter diesen Bedingungen kann eine kontinuierliche Produktion durchgeführt werden.

Das Natriumhydroxid wird zu der wäßrigen Lactoselösung vorzugsweise als eine 2- bis 10%ige wäßrige Lösung zugegeben. Wenn nämlich die Konzentration der Natriumhydroxidlösung zu hoch ist, wird die Reaktionsflüssigkeit lokal s^fark alkalisch, wodurch die Isomerisierungsreaktion nicht wie vorgeplant in einer kurzen Zeit abläuft und wenn die zugesetzte Lösung zu stark verdünnt ist, wird zusätzliche Einengarbeit erforderlich.

Für einen gleichmäßigen Ablauf der Reaktion wird die wäßrige Lactoselösung vorzugsweise bei einer Temperatur unter 70⁰C mit der Natriumhydroxidlösung gemischt Ferner kann die Reaktionsflüssigkeit nach der Erwärmung bei Bedarf zu Reinigungszwecken mit einem lonenaustauscherharz behandelt werden.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann irgendein Verfahren zur Einengung bzw. Aufkonzentrierung der Lactulose in bzw. aus der Reaktionsflüssigkeit angewandt werden. So gibt es beispielsweise das übliche Lactosekristallisationsverfahren,bei dem die Reaktionsflüssigkeit eingeengt und zur Kristallisation von Lactose abgekühlt wird und ein Verfahren, bei dem zur Reaktionsflüssigkeit rasch Kalk zugesetzt wird zur Bildung einer unlöslichen Lactuloseverbindung, die abgetrennt und wieder zersetzt wird (Japanese Patent Publication Gazette Nr. 16936/1971) und die übliche Reinigung durch Entfernung von Lactose aus der Reaktionsflüssigkeit mit einem Lösungsmittel wie Methanol usw Von diesen ist das obige Lactosekristailisationsverfahren für die einfache und billige Durchführung der Erfindung am wirksamsten.

Die gemäß der Erfindung erzielten Vorteile sind folgende:
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(1) Das Verhältnis GIL kann wahlweise innerhalb des Bereiches von 0,10 bis 0,15 festgelegt werden (im Gegensatz zum bekannten Verfahren);

(2) eine Reinigung wie Entfärbung, Entsalzung usw., ίο kann sehr leicht durchgeführt werden, da die angewandte Natriumhydroxidmenge im Vergleich zum herkömmlichen Verfahren gering ist;

(3) ein Sirup mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt mehr als 80% Lactulose, kann allein durch Entfernen restlicher Lactose aus der Reaktionsflüssigkeit nach der Erwärmung durch das Kristallisationsverfahren erhalten werden;

(4) Lactulosesirup von hoher Reinheit kann sehr einfach ohne irgendwelche Spezialausrüstungen und -apparaturen erhalten werden, da lediglich eine geringe Menge Natriumhydroxid verwendet wird, und

(5) das Herstellungsverfahren kann leicht kontrolliert bzw. geregelt und eine konstante Lactulosesirupqualität erzielt werden, da die prozentuale Bildung von Lactulose und das Verhältnis GIL stets konstant gehalten werden können, unabhängig von der Konzentration der wäßrigen Lactoselösung, der Aufheizdauer und -temperatur, wenn das Verhältnis von Natriumhydroxid zu Lactose konstant ist.

Beispiel 1

100 kg handelsüblich erhältliche, eßbare Lactose wurden in 200 kg heißem Wasser von 90⁰C gelöst. Daneben wurden 540 g Natriumhydroxid in 15 kg Wasser aufgelöst. Die erhaltene Natronlauge wurde mit der wäßrigen Lactoselösung gemischt und die Mischlösung mehr als 5 Minuten auf 90°C erhitzt und dann auf etwa 30° C abgekühlt. Danach wurde die Reaktionsflüssigkeit durch ein Kationenaustauscherharz und ein Anionenaustauscherharz entsalzt und entfärbt. Die Flüssigkeit wurde dann auf 60 bis 70% Feststoffgehalt eingeengt und die sich in Kristallen abscheidende Lactose dreimal abfiltriert, wodurch schließlich 38,8 kg Lactulosesirup mit 69% Feststoff gehalt erzielt wurden.

Der Lactulosesirup enthielt 80% Lactulose und 12% Galactose im Feststoffgehalt, und das Verhältnis von erzeugter Calactose zu Lactose lag bei 0,15.

Beispiel 2

100 kg handelsüblich erhältliche eßbare Lactose wurden in 300 kg Wasser von 70⁰C aufgelöst Daneben

wurden 268 g Natriumhydroxid in 10 kg Wasser gelösl und zu der wäßrigen Lactoselösung hinzugegeben. Die gemischte Lösung wurde 30 Minuten lang auf 70° C erhitzt und dann mit einem Plattenkühler auf etwa 30⁰C abgekühlt Nachfolgend wurde die Reaktionsflüssigkeil

durch ein Kationenaustauscherharz und ein Anionenaustauscherharz entsalzt und entfärbt Danach wurde die Reaktionsflüssigkeit auf 60% Feststoffgehalt ein geengt und 4 Stunden lang bei 30⁰C stehengelassen wonach die gebildeten Lactosekristalle abfiltrier wurden. Das Filtrat wurde auf 70% Feststoffgehal eingeengt und 12 Stunden lang bei 10° C stehengelassen wonach wiederum die gebildeten Lactosekristalli abfiltriert wurden. Das dabei erhaltene Filtrat wurde au

73% Feststoffgehalt eingeengt und 3 Tage lang bei 10⁰C stehengelassen und dann wiederum zur Abtrennung von Lactosekristallen filtriert unter Erzielung von 24,6 kg Lactulosesirup mit 70% Feststoffgehalt. Der Sirup enthielt 83% Lactulose und 8,3% Galactose (bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt) und das Verhältnis von erzeugter Galactose zur Lactulose lag bei 0,1.

Beispiel 3

100 kg handelsüblich erhältliche, eßbare Lactose wurden in 200 kg heißem Wasser von 90⁰C gelöst. Daneben wurden 400 g Natriumhydroxid in 20 kg Wasser aufgelöst und mit der wäßrigen Lactoselösung gemischt. Die Mischlösung wurde in einen Pasteurisator vom Plattentyp gebracht und auf 95 C erhitzt. Die Reaktionsflüssigkeit wurde 3 Minuten lang ^;n einem Misch- oder Haltetank gehallen und danach um einem Plattenkühler auf 30°C abgekühlt und durch ein Kationenaustauscherharz und ein Anionenaustauseherharz entsalzt und entfärbt. Danach wurde die Reaktionsflüssigkeit auf einen Feststoffgehall von 60 bis 70% eingeengt und die Kristallisation und Abfiltration von Lactose dreimal wiederholt unter Erzielung von 33.1 kg Lactulosesirup mit 69% Feststoffgehalt. Der Sirup enthielt 81.5% Lactulose und 10,6% Galactose im Feststoff, und das Verhältnis von erzeugter Galactose zu Lactulose lag bei 0,13.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

709 623/174

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Lactulosesirup mit, bezogen auf den Gesamtfeststoffgehalt, mehr als 80% Lactulose, wobei man eine wässerige Lactoselösung mit einer wässerigen natriumhydroxidhaltigen Lösung mischt, aufheizt und die resultierende Lactulose in bzw. aus der Reaktionsmischung aufkonzentriert, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Lactosegewicht bezogene Natriumhydroxidmenge 0,27 bis 0,54% beträgt und daß man das Gemisch auf zumindest 70⁰C aufheizt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Natriumhydroxidlösung in einer Konzentration von 2 bis 10 Gew.-% vorliegt.