DE4396846B4

DE4396846B4 - Verfahren zur Isomerisierung einer Verbindung mit Aldosestruktur zu einer Verbindung mit Ketosestruktur

Info

Publication number: DE4396846B4
Application number: DE4396846A
Authority: DE
Inventors: Keiji Tsukuba Umeda; Norihiro Machida Kakimoto; Takafumi Tsukuba Kasumi
Original assignee: NAT FOOD RES INST MINISTRY OF; Asai Germanium Research Institute Co Ltd; National Food Research Institute
Current assignee: NAT FOOD RES INST MINISTRY OF; Asai Germanium Research Institute Co Ltd; National Food Research Institute
Priority date: 1992-12-28
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2013-12-28
Also published as: CN1094053A; JP3524094B2; GB9416016D0; SE519168C2; EP0628050B1; GB2279650A; NL194441C; JPH08502999A; US5679787A; WO1994014826A1; NL194441B; SE9402735D0; GB2279650B; AU672865B2; DE4396846T1; NL9320024A; CH685701A5; EP0628050A1; SE9402735L; CN1036922C

Abstract

Verfahren zum Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur unter Verwendung einer Organogermaniumverbindung, die durch die Formel (II) dargestellt wird.

worin R₁, R₂ und R₃, die gleich oder unterschiedlich sein können, unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom stehen, eine C₁-C₄ Alkylgruppe, eine Phenylgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Carboxy-Methylgruppe oder eine Aminogruppe, die entweder nicht substituiert ist oder mit einer Acetylgruppe substituiert ist; X₁ steht für eine Hydroxylgruppe, eine O-C₁-C₄-Alkylgruppe, eine Aminogruppe oder ein Salz, für das OY₁ steht (Y₁ steht für ein Metall); und n steht für eine ganze Zahl, die 1 oder größer ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Isomerisierung einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur gemäß den Patentansprüchen.

Kohlenhydrate sind organische Verbindungen, die für lebende Materie als deren Energiequelle usw. äußerst wichtig sind und die auf der Erde überreichlich vorhanden sind. Sie bestehen in der Hauptsache aus Monosacchariden. Diese Monosaccharide besitzen eine typische Struktur, bei der 3 bis 8 Kohlenstoffatome ringförmig aneinander gebunden sind, und diese Strukturen werden im wesentlichen zwei Typen zugeordnet.

Die genannten Strukturen werden nämlich dem Aldosetyp (einem Monosaccharid, das ein Aldehyd enthält) und dem Ketosetyp (einem Monosaccharid, das ein Keton enthält) zugeordnet. Sowohl Aldose wie auch Ketose werden weiter unterteilt in die jeweiligen Triosen, Tetrosen, Pentosen und Hexosen, je nach Anzahl der Kohlenstoffatome der Aldose oder Ketose.

Unterschiedliche Reaktionen mit Monosacchariden sind bekannt. Eine solche Reaktion, die industriell genutzt wird, ist eine Reaktion, die die Isomerisierung von Glucose (Traubenzucker) (einer Aldohexose) zu Fructose (Fruchtzucker) (einer entsprechenden Ketohexose) zur Herstellung von Sirup mit hohem Fructosegehalt umfaßt.

Der genannte Sirup mit hohem Fructosegehalt ist ein Gemisch aus Fructose und Glucose, das durch teilweise Isomerisation der Glucose gewonnen wird. Aufgrund der teilweisen Isomerisierung von Glucose (deren Süßegrad gering ist) zu Fructose (deren Süßegrad hoch ist) ähnelt der Süßegrad des Sirups mit hohem Fructosegehalt dem von Sucrose.

Etwa 70% des Sirups mit hohem Fructosegehalt werden in Kühlgetränken und anderen Getränken verwendet, da die darin enthaltene Fructose einen stärkeren Süßegrad bei niedrigeren Temperaturen aufweist, und der übrige Teil wird allgemein in Lebensmitteln als Süßungsmittel verwendet. Die Weltjahresproduktion von Sirup mit hohem Fructosegehalt wird auf etwa 8.000.000 kg geschätzt.

Sowohl Glucose als auch Fructose sind Hexosen mit ähnlicher Struktur. Bisher wurden chemische und enzymatische Verfahren zur Isomerisierung von Glucose zu Fructose vorgestellt, und derzeit erfolgt in der Industrie die Isomerisierung von Glucose zu Fructose mittels eines Isomerisationsenzyms, nämlich Glucoseisomerase, zur Herstellung von Sirup mit hohem Fructosegehalt.

Genauer gesagt wird dabei Stärke, zum Beispiel Maisstärke, verflüssigt; die entstandene Flüssigkeit wird unter Verwendung von Glucoamylase saccharifiziert, um Stärkesirup zu erhalten; der Stärkesirup wird kontinuierlich durch ein immobilisiertes Enzym geleitet, erhalten mittels einem aus einer Reihe möglicher Verfahren durch Immobilisierung einer Glucoseisomerase, die durch einen Mikroorganismus, zum Beispiel der Gattung Streptomyces, erzeugt wurde, wodurch die Isomerisierung der Glucose in der genannten Lösung zu Fructose erfolgt.

Die oben beschriebene Isomerisationsreaktion ist eine Gleichgewichtsreaktion, deren Gleichgewichtspunkt 1 oder etwa 1 beträgt. Beim Gleichgewichtspunkt können bei einer Reaktionstemperatur von etwa 60°C etwa 50% Glucose zu Fructose isomerisiert werden. Um die Isomerisierung auf einem solchen Niveau aufrecht zu erhalten, ist aber eine beachtliche Zeitspanne erforderlich, das Reaktionsgemisch ist aufgrund der Erhitzung über einen solch langen Zeitraum verfärbt, und die für die Vermarktung des Produkts erforderlichen Reinigungs- und Kondensationsschritte verursachen hohe Kosten. Daher wird die Reaktion beendet, wenn die Isomerisierung bis zu einem Fructosegehalt von etwa 42% fortgeschritten ist.

Wie oben beschrieben, wird Sirup mit hohem Fruktosegehalt hergestellt, um Glucose, die in Massenproduktion zu niedrigen Kosten hergestellt werden kann, einen ähnlichen Süßegrad zu geben wie Sucrose. Wird aber der Süßegrad von Sucrose willkürlich mit 100 angesetzt, so hat der oben genannte Sirup mit hohem Fructosegehalt, der etwa 42% Fructose enthält (dieser Fructosesirup wird im folgenden in einigen Fällen als 42%-Fructosesirup bezeichnet), einen Süßegrad von 95 – 100, was nicht ganz ausreicht. Daher ist es mit der oben genannten Isomerisationsreaktion allein nicht möglich, direkt einen Sirup mit hohem Fructosegehalt herzustellen, der den gleichen Süßegrad aufweist wie Sucrose.

Deshalb wird derzeit in der Industrie ein 55%-Fructosesirup hergestellt, der einen Süßegrad von 100 – 110 aufweist, indem der Fructosegehalt von 42%-Fructosesirup auf 55% erhöht wird.

Zur Herstellung eines 55%-Fructosesirups aus 42%-Fructosesirup ist aber ein großer Geräteaufwand erforderlich, wie etwa ein mit Kationenaustauschharz gepackter Reaktor; darüber hinaus ist ein komplizierter Prozeß erforderlich, es wird nämlich eine kontinuierliche Zuckertrennung mit dem genannten Reaktor durchgeführt, die einen 95%igen Fructosesirup ergibt, der dann mit 42%-Fructosesirup gemischt wird.

Was die Isomerisierung anderer Verbindungen mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur betrifft, kann momentan zum Beispiel die Isomerisierung von Lactose (einem Disaccarid) zur Lactulose genannt werden. Für diese Isomerisierung wurde aber, im Gegensatz zur Isomerisierung von Glucose zu Fructose, bisher kein Enzym gefunden, das bei der Isomerisierung von Lactose zu Lactulose wirksam ist; daher wird die Isomerisierung derzeit vorgenommen, indem man der Lactose Natriumhydroxid in einer Konzentration, die ein bestimmtes Niveau nicht überschreitet, zufügt und dann das Gemisch auf eine Temperatur von 70°C oder höher erhitzt, um die Lactose zu Lactulose zu isomerisieren (japanische Patentveröffentlichung Nr. 2984/1977). Die Isomerisationsrate bei diesem Verfahren ist aber niedrig, d. h. sie ergibt eine niedrige Lactuloseausbeute von etwa 20 % oder weniger (dies liegt unter der Fructoseausbeute). Um einen Sirup mit hohem Lactulosegehalt zu erhalten, stellt das Verfahren insofern ein Problem dar, als der Lactulosesirup kondensiert werden muß.

Aus der DE 3836651 A1 sind bereits Mittel bekannt, die Organogermaniumverbindungen enthalten. Gemäß der DE 2627111A1 ist die Isomerisierung von Aldosen und Ketosen unter Verwendung von Germanaten beschrieben.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens, das die oben genannten Probleme früherer Techniken nicht aufweist und das in der Lage ist, eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur mit einer hohen Isomerisationsrate zu isomerisieren.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Breitstellung eines Verfahrens, mit dem eine Verbindung mit einer Aldosestruktur ohne spezielle Geräte oder irgendwelche komplizierten Prozesse isomerisiert werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur mit oder ohne die Verwendung eines Isomerisationsenzyms isomerisiert werden kann.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens, mit dem eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur ohne den Vorgang des Erhitzens in alkalischem Milieu (ein Vorgang, der sich manchmal als nachteilig für die Isomerisationsrate erweist) isomerisiert werden kann, auch wenn kein Enzym gefunden wurde, das für die genannte Isomerisierung wirksam ist.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Mittels zur Isomerisierung oder zur Beschleunigung der Isomerisierung, das in dem oben genannten Verfahren wirksam ist.

Die vorgenannten Aufgaben werden durch die Kombination der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

1 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Reaktionszeit und Isomerisierungsrate zeigt.

Δ:: Ein Fall, bei dem eine Organogermaniumverbindung (23) als das vorhandene Isomerisierungsmittel verwendet wurde.
: Ein Fall, bei dem eine Organogermaniumverbindung (18) als das vorhandene Isomerisierungsmittel verwendet wurde.
⎕:: Ein Fall, bei dem eine Organogermaniumverbindung (1) als das vorhandene Isomerisierungsmittel verwendet wurde.
O:: Eine Blindprobe

Beste Ausführungsform der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden im Detail beschrieben.

Bei der vorliegenden Erfindung wird die Isomerisierung einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur unter Verwendung oder in Gegenwart einer Organogermaniumverbindung ausgeführt, die einen Strukturteil besitzt, der durch die oben genannte Formel (I) dargestellt ist, und bei der die übrige Struktur aus einer Kohlenwasserstoffkette oder einem Kohlenwasserstoffring, einem Substitutionsprodukt oder Derivat daraus oder einer anderen organischen Gruppe besteht. Daher wird zunächst die Organogermaniumverbindung mit einer solchen Struktur beschrieben.

Die Organogermaniumverbindung kann an einer Verbindung, dargestellt durch die Formel (II), veranschaulicht werden

[R₁, R₂ und R₃, die gleich oder unterschiedlich sein können, stehen unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom, eine C₁-C₄-Alkylgruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phenylgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Carboxymethylgruppe oder eine Aminogruppe, die entweder nicht substituiert oder mit einer oder mehreren geeigneten Gruppen subsituiert ist; X₁ steht für eine Hydroxylgruppe, eine niedere O-C₁ – C₄-Alkylgruppe, eine Aminogruppe oder ein Salz, für das OY1 steht (Y1 steht für ein Metall oder eine Verbindung, die eine basische Gruppe enthält; und n steht für eine ganze Zahl, die 1 oder größer ist], die als Grundgerüst ein Germylcarbonsäurederivat enthält, das durch eine Bindung zwischen einem Germaniumatom und einem Carbonsäurederivat gebildet wird, das drei Substituenten, R₁, R₂ und R₃, und eine Sauerstoff enthaltende funktionale Gruppe OX₁ besitzt, wobei das Germaniumatom des Grundgerüsts in einem Verhältnis von 2 (Germanium) : 3 (Sauerstoff) Atomen an die Sauerstoffatome bindet.

Die Substituenten R₁, R₂ und R₃, die gleich oder unterschiedlich sein können, stehen unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom; eine niedere Alkylgruppe wie Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl oder ähnliches; eine substituierte oder nicht substituierte Phenylgruppe; eine Carboxylgruppe; eine Carboxyalkylgruppe; oder eine Aminogruppe, die entweder nicht geschützt oder mit einer Schutzgruppe wie Acetyl oder ähnlichem geschützt ist. Der Substituent X₁ steht für eine Hydroxylgruppe, eine niedere O-C₁ – C₄-Alkylgruppe, eine Aminogruppe oder ein Salz, für das OY₁ steht [Y₁ steht für ein Metall wie etwa Natrium, Kalium oder ähnliches (das Metall muß nicht monovalent sein) oder eine Verbindung, für die Lysozym oder eine basische Aminosäure wie etwa Lysin typische Beispiele sind].

Die Substituenten R₁ und R₂ binden an alle Kohlenstoffatome der mit (C)_n dargestellten Kohlenstoffkette (n) ist eine ganze Zahl, die 1 oder größer ist), die sich an der α-Position des Germaniumatoms befindet. Entsprechend wird, wenn n = 1, 2, ...n, R₁ zu R₁₁, R₁₂, ...R_1n und R_2n zu R₂₁, R₂₂, ...R_2n. Der Substituent R₃ bindet an die Methylengruppe, die sich zwischen der genannten Kohlenstoffkette und der Sauerstoff enthaltenden funktionalen Gruppe befindet.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Organogermaniumverbindung kann daher mit den in den folgenden Tabellen 1 – 5 gezeigten veranschaulicht werden.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Von den in den Tabellen 1 – 5 gezeigten Verbindungen sind die in den Tabellen 1 – 4 mit der folgenden Formel (III) vom Standpunkt der Verfügbarkeit aus vorzuziehen:

worin R₄, R₅ und R₆, die gleich oder unterschiedlich sein können, ähnlich wie R₁, R₂ und R₃ unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom stehen, eine niedere Alkylgruppe, eine substituierte oder nicht substituierte Phenylgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Carboxyalkylgruppe oder eine Aminogruppe, die entweder nicht substituiert oder mit einer oder mehreren geeigneten Gruppen substituiert ist; und X₂ steht, ähnlich wie X₁, für eine Hydroxylgruppe, eine niedere O-C₁ – C₄-Alkylgruppe, eine Aminogruppe oder ein Salz, für das OY₂ steht (Y₂ steht für ein Metall oder eine Verbindung, die eine basische Gruppe enthält).

Die Organogermaniumverbindung mit der oben genannten Struktur kann mit unterschiedlichen Verfahren hergestellt werden (zum Beispiel: japanische Patentveröffentlichung Nr. 40159/1984, japanisches Patent Kokai (offengelegt) Nr. 86890/1991 und japanisches Patent Kokai (offengelegt) Nr. JP 02062885A ). Die Beschreibung bezieht sich auf die Herstellung von Organogermaniumverbindungen, die durch die Formel (III) dargestellt sind.

Eine Organogermaniumverbindung mit der Formel (III), worin X₂ eine Hydroxylgruppe ist, kann hergestellt werden, indem zum Beispiel eine Trihalogermylpropionsäure (z. B. Trichlorgermylpropionsäure), die, wie in der folgenden Formel dargestellt, die Substituenten R₄ bis R₆ besitzt, hydrolysiert wird.

Eine Organogermaniumverbindung mit der Formel (III), worin X₂ eine niedere O-Alkylgruppe ist, kann hergestellt werden, indem man zum Beispiel die oben genannte Trichlorgermylpropionsäure mit Thionylchlorid oder ähnlichem reagieren läßt, um die genannte Säure in ein entsprechendes Säurehalogenid überzuführen, das genannte Halogenid mit einem der genannten niederen Alkylgruppe entsprechenden Alkohol zur Reaktion bringt und das Reaktionsprodukt hydrolysiert. Eine Organogermaniumverbindung mit der Formel (III), worin X₂ eine Aminogruppe ist, kann hergestellt werden, indem zum Beispiel das genannte Säurehalogenid mit Ammoniak reagiert und anschließend das Reaktionsprodukt hydrolysiert wird.

Eine Organogermaniumverbindung mit der Formel (III), worin X₂ ein mit OY₂ dargestelltes Salz und Y₂ ein Metall ist, kann hergestellt werden, indem eine Verbindung mit der Formel (III), worin X₂ eine Hydroxylgruppe ist, mit einem Hydroxid von Y₂ zur Reaktion gebracht wird. Eine Organogermaniumverbindung mit der Formel (III), worin X₂ ein durch OY₂ dargestelltes Salz und Y₂ eine Verbindung ist, die eine basische Gruppe enthält, kann mit einer herkömmlichen Säure-Base-Reaktion synthetisiert werden.

Organogermaniumverbindungen mit der Formel (III), worin n größer ist als 1, können grundsätzlich nach den oben genannten Methoden hergestellt werden.

Daß die so hergestellte Organogermaniumverbindung die oben angegebene Allgemeinformel (II) hat, läßt sich gut anhand des Ergebnisses aus geräteunterstützten Analysen (z.B. NMR-Absorptionsspektrum, IR-Absorptionsspektrum) der genannten Verbindung belegen.

Die Formeln (II) und (III), die für die Organogermaniumverbindung der vorliegenden Erfindung stehen, stellen beide den kristallinen Zustand der genannten Verbindung dar. Es ist bekannt, daß die vorliegende Verbindung, z.B. die Verbindung (II), in Wasser eine Struktur annimmt, die durch die folgende Formel (II') dargestellt ist.

Die Organogermaniumverbindungen (II) und (III) können auch mit anderen Strukturformeln dargestellt werden. Zum Beispiel ist die Verbindung (II) identisch mit einer Verbindung, die durch die folgende Strukturformel (II'') dargestellt ist.

In der vorliegenden Erfindung kann die Organogermaniumverbindung, die mit mindestens einer der oben angegebenen Formeln dargestellt werden kann, unabhängig von ihrer jeweiligen Kristallstruktur verwendet werden.

Die Toxizität der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Organogermaniumverbindung ist äußerst gering. Zum Beispiel beträgt bei einer Verbindung (II), worin n=1, R₁=R₂=R₃=H und X₁= OH [Verbindung Nr. 1, diese Verbindung wird im folgenden in einigen Fällen als Organogermaniumverbindung (1) bezeichnet], die LD₅₀ bei oraler Verabreichung bei Mäusen 6 g/kg oder mehr und bei oraler Verabreichung bei Ratten 10 g/kg oder mehr.

In der vorliegenden Erfindung wird, wie vorher beschrieben, eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur unter Verwendung oder in Gegenwart einer Organogermaniumverbindung mit einem durch die oben genannte Formel (I) dargestellten Strukturteil isomerisiert. Die zu isomerisierende Verbindung kann jede Verbindung sein, die im Molekül die folgende Aldosestruktur besitzt, dargestellt mit der Fischer-Projektionsformel

und die zu einer Verbindung mit der folgenden Ketosestruktur isomerisiert werden kann, dargestellt mit der Fischer-Projektionsformel

über ein Zwischenstadium der Bildung einer cis-Endiol-Struktur, wie unten dargestellt.

Als Verbindungen mit der oben genannten Aldosestruktur, können Monosaccharide und ihre Derivate wie die unten links genannten erwähnt werden. Sie werden zu den Verbindungen isomerisiert, die unten rechts genannt sind.
Glycerinaldehyd → Dihydroxyaceton
Erythrose, Threose → Erythrulose
Ribose, Arabinose → Ribulose
Xylose, Lyxose → Xylulose
Allose, Altrose → Psicose
Glucose, Mannose → Fructose
Gulose, Idose → Sorbose
Galactose, Talose → Tagatose

Als Verbindungen mit der Aldosestruktur können reduzierende Disaccharide und ihre Derivate, wie sie unten links genannt sind, ebenfalls erwähnt werden. Sie werden zu den Verbindungen isomerisiert, die unten rechts genannt sind.
Maltose → Maltulose
Lactose → Lactulose

Trisaccharide und höhere Zucker und auch Polysaccharide und ihre Derivate können isomerisiert werden. In diesem Fall müssen sie eine Aldosestruktur am Molekülende besitzen. Im übrigen wurde für einige (z.B. Maltose und Lactose) der oben genannten Verbindungen, die isomerisiert werden können, kein Enzym gefunden, das in der Lage ist, sie zu den jeweils entsprechenden Verbindungen mit einer Ketosestruktur zu isomerisieren.

Von den Verbindungen mit Ketosestruktur wird Lactulose klinisch zur Besserung psychoneurotischer Zustände, die in Zusammenhang mit Hyperammonämie stehen, Hand- und Fingertremor usw. verwendet.

Die Isomerisierung einer Verbindung mit einer Aldosestruktur gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit oder ohne Isomerisierungsenzym erfolgen. Wird kein Isomerisierungsenzym verwendet, so kann die Isomerisierung unter den gleichen Bedingungen vorgenommen werden, die bei der konventionellen Isomerisierung von Glucose zu Fructose unter Verwendung eines Isomerisierungsenzyms angewendet werden, zum Beispiel bei Zimmertemperatur bis 60 – 90°C in Gegenwart eines alkalischen Stoffes wie Natriumhydroxid, Calciumhydroxid oder ähnlichem. Bei der Isomerisierung ohne Enzym ist es auch möglich, den alkalischen Teil des Elektrolytwassers zu verwenden, das durch Polarisation von Wasser mittels eines bestimmten, dazu geeigneten Geräts hergestellt wurde.

Die Konzentration der bei der Isomerisierung verwendeten Organogermaniumverbindung unterliegt keinen bestimmten Beschränkungen, da sie abhängig von der Isomerisierungszeit, der gewünschten Isomerisierungsrate usw. bestimmt wird. Als Beispiel aber gilt: 1 Gewichtsprozent oder mehr der Organogermaniumverbindung wird 10 Gewichtsprozent Lösung der Verbindung mit einer Aldosestruktur zugefügt.

Bei der Isomerisierung nach dem vorliegenden Verfahren steigt im allgemeinen die Isomerisierungsrate mit der Reaktionszeit. Daher wird die Isomerisierungsrate gesteuert, indem man die Reaktionszeit steuert, womit die gewünschte Isomerisierungsrate erreicht wird.

Bei dem Isomerisierungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Isomerisierungenzym verwendet werden wie bei der konventionellen Isomerisierung von Glucose zu Fructose mit einem Isomerisierungenzym.

Die Beschreibung erfolgt anhand eines Falls einer Isomerisierung von Glucose zu Fructose mit einem Isomerisierungenzym. Zunächst wird Stärke (z.B. Maisstärke) mittels α-Amylase, die zum Beispiel mittels Bacillus genus hergestellt wurde, verflüssigt; die entstandene Flüssigkeit wird unter Verwendung von Glucoamylase, die zum Beispiel mittels Aspergillus niger gewonnen wurde, zur Herstellung von Stärkesirup saccharifiziert. Übrigens enthält dieser Stärkesirup etwa 93 – 95% Glucose. Bei der Saccharifikation kann, in Kombination, Pullulanase verwendet werden, ein Enzym zur Spaltung der α-1,6-Glycosidbindung von Stärke; in diesem Fall beträgt der Glucosegehalt des entstandenen Stärkesirups etwa 96%.

Der Stärkesirup wird nach Bedarf gereinigt und kondensiert; anschließend wird nach Bedarf ein Magnesium-, Mangan- oder Kobaltmetallion zugefügt, erforderlich für die Glucoseisomerase, die im nachfolgenden Isomerisierungsschritt verwendet wird. Im Hinblick auf die Lebensmittelsicherheit ist das bevorzugte Metallion ein Magnesiumion.

Der entstandene Stärkesirup wird einem Isomerisierungsschritt unterzogen. Bei diesem Schritt kann eine beliebige Glucoseisomerase verwendet werden, vorausgesetzt sie kann Glucose zu Fructose isomerisieren. Beispiele für Glucoseisomerase sind die Enzyme, die mit Mikroorganismen der Gattungen Streptomyces, Bacillus, Arthrobacter, Microbacterium usw. hergestellt werden. Spezifische Beispiele für Enzyme sind im folgenden genannt.
Lactobacillus brevis
Bacillus coagulans
Brevibacterium pentosoaminoacidium
Arthrobacter sp.
Actinoplanes missouriensis
Streptomyces phaeochromogenus
Streptomyces rubiginosus
Streptomyces albus NRRL-5778
Streptomyces griseofuscus

Man läßt die oben genannte Glucoseisomerase in Gegenwart der oben genannten Organogermaniumverbindung auf den oben genannten Stärkesirup einwirken, um die Glucose im Sirup zu Fructose zu isomerisieren. Dieser Schritt kann in einem Gemisch aus dem Stärkesirup, der Organogermaniumverbindung und der Glucoseisomerase erfolgen; allerdings kann die Glucoseisomerase auch mit einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines immobilisierten Enzyms immobilisiert werden und der Stärkesirup, der die Organogermaniumverbindung enthält, kontinuierlich durch das immobilisierte Enzym geleitet werden. Übrigens kann bei der vorliegenden Erfindung auch ein Mikrobenzellpräparat, dessen Proteine außer Glucoseisomerase inaktiviert wurden, statt des Isomerisierungsenzyms verwendet werden.

Die für die Isomerisierung von Glucose zu Fructose gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Bedingungen können mit den in herkömmlichen bekannten Isomerisierungsverfahren verwendeten übereinstimmen. Die Isomerisierung kann nämlich zum Beispiel in neutralem bis leicht alkalischem Milieu bei 60 – 90°C durchgeführt werden.

Bei der Isomerisierung von Glucose zu Fructose gemäß der vorliegenden Erfindung steigt die Isomerisierungsrate mit der Reaktionszeit, wie in später beschriebenen Beispielen gezeigt wird. Daher kann über eine Steuerung der Reaktionszeit die Isomerisierungsrate gesteuert werden und damit eine gewünschte Isomerisierungsrate erreicht werden, zum Beispiel eine Isomerisierungsrate zu Fructose von 55% oder darüber.

Bei der vorliegenden Erfindung kann die Menge der verwendeten Organogermaniumverbindung abhängig von der beabsichtigten Isomerisierungsrate usw. bestimmt werden. Die Organogermaniumverbindung kann in einem Konzentrationsbereich von zum Beispiel 1/100 M oder höher verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf Beispiele genauer beschrieben.

Beispiel 1
(1) Synthese von Organogermaniumverbindungen
Trichlorgerman (Cl₃GeH) wurde Acrylsäure (CH₂CHCOOH) zugefügt zur Herstellung von Trichlorgermylpropionsäure (Cl₃GeC_H2CH₂COOH). Zur Synthetisierung einer Organogermaniumverbindung (1) wurde es hydrolysiert. Die Organogermaniumverbindungen (2) bis (51) wurden auf die gleiche Art synthetisiert.
(2) Herstellung von Substratlösungen
Eine Lösung mit 40% Glucose und 1,2 M einer Organogermaniumverbindung wurde mit dem folgenden Verfahren hergestellt. 0,8 g wasserfreie Glucose wurde in 0,8 ml entionisiertem Wasser gelöst. In kleinen Teilen wurde der Lösung 0,407 g der Organogermaniumverbindung (1) zur Beschleunigung der Isomerisierung gemäß der vorliegenden Erfindung zugefügt [eine mit der Formel (II) dargestellte Verbindung, worin n=1, R₁=R₂=R₃ und X₁=OH], wobei der pH-Wert der Lösung sehr schwach alkalisch gehalten wurde, um die Verbindung vollständig in der Lösung zu lösen. Dazu wurden 4,9 mg Magnesiumsulfat gegeben und der pH-Wert des entstandenen Gemischs auf 8,0 eingestellt. Dann wurde entionisiertes Wasser zugefügt, um eine Gesamtmenge von 2,0 ml zu erreichen, womit eine Substratlösung hergestellt war.
Zwei weitere Substratlösungen, die die Organogermaniumverbindungen (18) [eine Verbindung, die mit der Formel (II) dargestellt wird, worin n=1, R₁=R₂=H, R₃=NH₂ und X₁=OH] und (23) [eine Verbindung, die mit der Formel (II) dargestellt wird, worin n=1, R₁=H, R₂=C₆H₅, R₃=NH₂ und X₁=OH] enthielten, wurden auf die gleiche Art wie oben hergestellt, mit dem Unterschied, daß die verwendeten Mengen der Organogermaniumverbindungen (18) und (23) 0,443 g bzw. 0,638 g betrugen (diese Mengen entsprachen 1,2 M Germanium).
(3) Herstellung des Enzyms
Ein Isomerisierungsenzym (Glucoseisomerase) wurde aus den Zellen des Streptomyces griseofuscus S-41 extrahiert, nach einem herkömmlichen Verfahren mittels Ionenaustauschsäule, Gelfiltrationssäule oder ähnlichem gereinigt, bis mittels Elektrophorese ein einziges Band festzustellen war. Das entstandene gereinigte Enzym wurde als Standardenzym verwendet.
(4) Enzymatische Isomerisierungsreaktion
In ein kleines Reagenzglas wurden 0,7 ml der oben genannten Substratlösung, 0,1 ml einer 200 mM MOPS-Pufferlösung (pH 8,0) und 0,2 ml einer Lösung mit dem wie oben beschrieben hergestellten Standardenzym (5,69 mg/ml) gegeben. Das Reagenzglas wurde in ein 60°C warmes Wasserbad gegeben und das Gemisch im Reagenzglas zur Reaktion gebracht.
Je 50 μl des Reaktionsgemischs wurden 50 μl 0,5 M Perchlorsäure in einer Mikrophiole in regelmäßigen Abständen zugegeben, um die Reaktion zu beenden. Die Menge der gebildeten Fructose in der Mikrophiole wurde mittels Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie an einer Säule [LC7A, SCR-101 (M), Hersteller Shimadzu Corp.] bestimmt, um die zeitliche Änderung der Isomerisierungsrate von Glucose zu Fructose zu untersuchen.
(5) Ergebnisse
Wie in 1 dargestellt, erreichte die Reaktion bei der Blindprobe ohne die Verwendung einer Organogermaniumverbindung nach etwa 6 Stunden ein Gleichgewicht und die Isomerisierungsrate betrug nur 50%. Wurde die Organogermaniumverbindung der vorliegenden Erfindung zur Beschleunigung der Isomerisierung zugegeben, waren sowohl die anfängliche Reaktionsrate als auch die Isomerisationsrate im Gleichgewicht höher als die der Blindprobe. Die anfängliche Reaktionsrate war nämlich jedesmal um 40 – 50% höher als die der Blindprobe, und es gab keine nennenswerten Unterschiede der anfänglichen Reaktionsraten bei den unterschiedlichen Organogermaniumverbindungen. Im Gleichgewicht ergaben sich aber unterschiedliche Isomerisierungsraten, je nachdem welche Arten von Organogermaniumverbindungen verwendet wurden; und die Verbindung (23) ergab eine Isomerisierungsrate von 99%, die Verbindung (18) eine Isomerisierungsrate von 80% und die Verbindung (1) eine Isomerisierungsrate von 75%.
Beispiel 2
(1) Herstellung leicht alkalischen Elektrolytwassers mittels Elektrolyse
Wasser wurde durch ein Elektrolysegerät geleitet [z.B. Microluster (Handelsname), Hersteller: Asahi Glass Co., Ltd.]. Der alkalische Teil des entstandenen Elektrolytwassers wurde als leicht alkalisches Elektrolytwasser verwendet.
(2) Herstellung der Glucoselösungen
14 g bzw. 28 g wasserfreier Glucose wurden in etwa 80 ml des wie oben hergestellten Elektrolytwassers gelöst. Das gleiche Elektrolytwasser wurde weiter zugegeben, bis eine Gesamtmenge von 100 ml erreicht war, wodurch eine 14%ige Glucoselösung und eine 28%ige Glucoselösung hergestellt wurden. Unmittelbar nach dem Herstellen der Lösungen hatte die 14%ige Glucoselösung den pH-Wert 9,1 und die 28%ige Glucoselösung den pH-Wert 8,61.
(3) Herstellung der Lösungen mit Organogermaniumverbindungen
1,847 g der Organogermaniumverbindung (18) wurden abgewogen und etwa 2 ml entionisiertem Wasser zugefügt. Das Gemisch wurde mit einer geringen Menge Natriumhydroxid leicht alkalisch gemacht (pH 8,00 oder 8,53). Das gleiche entionisierte Wasser wurde weiter zugegeben, bis eine Gesamtmenge von 3 ml erreicht war. Die Endkonzentration der Verbindung (18) in der Lösung betrug 1,67 M.
(4) Isomerisierung
200 μl der 14%igen bzw. 28%igen Glucoselösung und 200 μl der Lösung mit der Organogermaniumverbindung (pH 8,00 oder 8,53) wurden in ein kleines Reagenzglas gegeben. Ebenso wurden 200 μl der 14%igen bzw. 28%igen Glucoselösung und 200 μl des leicht alkalischen Elektrolytwassers in ein kleines Reagenzglas gegeben. Alle Reagenzgläser wurden gründlich geschüttelt und anschließend zur Reaktion in ein 80°C warmes Wasserbad gegeben. 1 – 3 Stunden später wurden zur Beendigung der Reaktion 50 μl des Reaktionsgemischs 50 μl 0,5 M HClO₄ zugegeben. Danach wurde das Gemisch mit entionisiertem Wasser 100fach verdünnt, um die Menge der gebildeten Fructose und die Menge der Restglucose mittels Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie an einer 7A-Säule, Hersteller: Shimadzu Corp., zu bestimmen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 dargestellt.
Tabelle 6
Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, betrugen die Isomerisierungsraten von Glucose 2,0 bis 3,5%, wenn eine Glucoselösung nur in leicht alkalischem Elektrolytwasser gelöst wurde. Wenn aber zusätzlich eine Lösung einer Organogermaniumverbidung zugefügt wurde, betrugen die Isomerisierungsraten von Glucose 48,0 bis 94,7%. Darüber hinaus betrug die Isomerisierungsrate von Glucose 32,3%, wenn der Glucoselösung Natriumhydroxid zugesetzt wurde, die Isomerisierungsrate von Glucose betrug dagegen 98,9%, wenn zusätzlich eine Lösung einer Organogermaniumverbindung zugefügt wurde.
Übrigens zeigt (Ge) in Tabelle 6 die Fälle, in denen eine Organogermaniumverbindung zugesetzt wurde; (Na) zeigt einen Fall, in dem Natriumhydroxid und entionisiertes Wasser verwendet wurden; in anderen Fällen wurde bei der Isomerisierung nur leicht alkalisches Elektrolytwasser und keinerlei (Ge) und (Na) verwendet.
Beispiel 3
Andere Verbindungen, die durch die Formel (I) dargestellt sind, wurden einer dreistündigen Isomerisierung der gleichen Art wie in Beispiel 2 unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 dargestellt. Übrigens zeigten Verbindungen, die nicht in Tabelle 7 aufgeführt sind, im großen und ganzen die gleichen Isomerisierungsraten.
Beispiel 4
Der gleiche Isomerisierungsversuch wie in Beispiel 2 wurde leicht modifiziert durchgeführt.
Dazu wurden 200 μl einer Saccharidlösung aus einer Reihe verschiedener Saccharidlösungen und 200 μl einer Lösung einer Organogermaniumverbindung aus einer Reihe verschiedener Lösungen von Organogermaniumverbindungen in ein kleines Reagenzglas gegeben. Das Gemisch wurde mit einer wässrigen Natriumhydroxidlösung auf den pH-Wert 10 eingestellt; anschließend wurde das Reagenzglas zur Reaktion in ein 80°C warmes Wasserbad gegeben. 3 Stunden später wurde die Reaktion beendet und die jeweilige Saccharidmenge mittels Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie an einer 7A-Säule, Hersteller: Shimadzu Corp., bestimmt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 wiedergegeben.
Tabelle 8
Industrielle Anwendbarkeit
Wie die oben ausgeführten Beispiele zeigen, weist das vorliegende Isomerisierungsverfahren nicht die Probleme bisheriger Techniken auf und es kann eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur isomerisieren, ohne daß spezielle Geräte oder komplizierte Prozesse erforderlich sind.
Daraus kann geschlossen werden, daß eine isomerisierte Saccharose einer gewünschten Konzentration in einer gewünschten Menge bereitgestellt werden kann, beispielsweise für industrielle Lebensmittelproduktionsstätten, Produktionsstätten für kalte Getränke, für die isomerisierte Saccharose verwendet wird, indem dort kleinere Isomerisierungseinheiten eingerichtet werden, die die Technik der vorliegenden Erfindung nutzen. Außerdem können, wenn die genannte Isomerisierungseinheit in den Produktionsablauf einer Lebensmittelproduktion integriert wird, die Transport- und Lagerkosten, sowie die Kosten der Zuführung von Rohstoffen deutlich reduziert werden.
Darüber hinaus kann man mit dem vorliegenden Verfahren eine Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur mit oder ohne Isomerisierungsenzym isomerisieren. Selbst wenn für eine bestimmte Verbindung mit Aldosestruktur, die zu einer Verbindung mit Ketosestruktur isomerisiert werden soll, kein wirksames Isomerisierungsenzym gefunden wird, kann eine solche Verbindung mit dem vorliegenden Verfahren zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur isomerisiert werden, ohne daß man auf die Methode der Erhitzung im alkalischen Millieu zurückgreift (diese Methode erweist sich manchmal als nachteilig für die Isomerisierungsrate).
Außerdem ist das vorliegende Mittel zur Isomerisierung oder Beschleunigung der Isomerisierung, das für das vorliegende Verfahren wirksam ist und zu dessen Ausführung verwendet wird, äußerst sicher und hochstabil.

Claims

Verfahren zum Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur unter Verwendung einer Organogermaniumverbindung, die durch die Formel (II) dargestellt wird.
worin R₁, R₂ und R₃, die gleich oder unterschiedlich sein können, unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom stehen, eine C₁-C₄ Alkylgruppe, eine Phenylgruppe, eine Carboxylgruppe, eine Carboxy-Methylgruppe oder eine Aminogruppe, die entweder nicht substituiert ist oder mit einer Acetylgruppe substituiert ist; X₁ steht für eine Hydroxylgruppe, eine O-C₁-C₄-Alkylgruppe, eine Aminogruppe oder ein Salz, für das OY₁ steht (Y₁ steht für ein Metall); und n steht für eine ganze Zahl, die 1 oder größer ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur ausgeführt wird, ohne dass ein diese Isomerisierung bewirkendes Enzym verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur bei gleichzeitiger Gegenwart eines diese Isomerisierung bewirkenden Enzyms ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur in neutralem bis alkalischem Milieu ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin das Isomerisieren einer Verbindung mit einer Aldosestruktur zu einer Verbindung mit einer Ketosestruktur in durch Elektrolyse hergestelltem, alkalisiertem Wasser ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verbindung mit einer Aldosestruktur ein Monosaccharid ist.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verbindung mit einer Aldosestruktur Glucose ist und zu Fructose isomerisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die Isomerisierung von Glucose zu Fructose in neutralem bis alkalischem Milieu bei einer Temperatur von 60-90°C ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die Isomerisierung von Glucose zu Fructose ausgeführt wird, bis die Isomerisierungsrate zu Fructose mindestens etwa 55% erreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Glucose enthaltende Lösung ein Sirup ist, der gewonnen wird, indem Stärke verflüssigt und die entstandene Flüssigkeit in Zucker umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, worin die Verbindung mit einer Aldosestruktur ein Disaccharid ist.
Verfahren nach Anspruch 10, worin die Verbindung mit einer Aldosestruktur Lactose ist und zu Lactulose isomerisiert wird.