DE60118413T2 - Modifiziertes maisquellwasserprodukt - Google Patents
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Description
- HINTERGRUND DER ERFINDUNG
- Diese Erfindung betrifft ein modifiziertes Maisquellwasserprodukt.
- Myo-Inosit (auch als Inosit, Muskelzucker und Hexahydroxycyclohexan bekannt) ist ein wichtiger Wachstumsfaktor, der von manchen als der Vitamin-B-Gruppe zugehörig angesehen wird (Szmant, "Industrial utilization of renewable resources", Technomic Publication Company, Lancaster, PA 1986). Es findet sich in Pflanzen sowohl in der freien Form (z.B. in Soja und Zuckerrohr) als auch als ein Hexaphosphat, Phytin (z.B. im Mais), und auch als ein Phosphatidylderivat, das ein Bestandteil von Pflanzenlecithinen ist.
- Die Hauptanwendungen findet myo-Inosit in der Aquakultur, der Haustiernahrung, in Tierfutter und auf den sich entwickelnden Märkten der Gesundheit und Ernährung.
- Maisquellwasser ist die herkömmliche industrielle Quelle an myo-Inosit (z.B. Artz and Hach, "Process for refining crude inositol containing solutions and for recovering inositol therefrom", US-Patentschrift Nr. 2,615,053, 21. Oktober 1952). In diesem Verfahren wird Phytin zuerst als ein Calciumsalz gefällt und dann mit einer starken Säure hydrolysiert. Die Herstellung von myo-Inosit in dieser Weise wurde in den USA etwa 1987 aufgrund der hohen Herstellungskosten eingestellt. Lieferungen von myo-Inosit kommen daher heute aus China (wo es aus Maisquellwasser hergestellt wird) und auch aus Japan (wo es aus Reiskleie hergestellt wird).
- Das US-Patent Nr. 3,270,064 an Toyo Koatsu Industries Inc. beschreibt eine Verbesserung des chemischen Fällungs- und Hydrolyseverfahrens durch Benutzung einer löslichen Base, um den pH-Wert anzuheben (z.B. mit Ammoniak oder Ätzalkali) und das Phytin auszufällen. Daran schließt sich die Hydrolyse in der Wärme und unter Druck in Gegenwart eines Erdalkalimetallcarbonats, wie z.B. Magnesiumcarbonat, an. Die behaupteten Vorteile sind die Beseitigung komplexierender Reaktionen sowie die verbesserte Reinheit des Endproduktes. Der Verbrauch an Chemikalien ist immer noch hoch, und die Benutzung von Ätzalkali oder Ammoniak beeinträchtigt den Wert des verbleibenden Materials, da es nicht möglich ist, dieses als Futter zu benutzen.
- Aufgrund der Chemikalien, die in die Fällung und Hydrolyse von Phytin eingebunden sind, wird jede Quelle an der freien Form von myo-Inosit vorteilhaft sein, sofern eine effiziente Weise gefunden werden kann, das myo-Inosit von den anderen Bestandteilen abzutrennen. Dazu sind zwei Verfahren patentiert worden, und zwar das US-Patent Nr. 5,096,594 an Rabinowitz und das US-Patent Nr. 4,482,761 an Chao und Sherman. Ein Verfahren basiert auf der Benutzung von Kationenaustauschharzen in der Ca2+- oder Pb2+-Form mit wäßrigem Dimethylsulfoxid als der mobilen Phase, und das andere basiert auf Zeolith-Molekularsieben. Das erstgenannte Verfahren weist den Nachteil auf, dass dabei ein organisches Lösemittel benutzt wird, und die Benutzung von Blei in einem Lebensmittelprodukt ist völlig inakzeptabel. Das letztgenannte Verfahren ist nicht sehr effizient.
- JP-A-10 075 795 offenbart eine Zusammensetzung, die Inositphosphorsäuren aufweist.
- Myo-Inosit kann von Monosacchariden (Glucose und insbesondere Fructose) an Kationenaustauschharzen in einwertiger (Na+ oder K+) oder zweiwertiger (Ca2+) Form nicht wirkungsvoll getrennt werden. Es ist gezeigt worden, dass die Benutzung stark basischer Anionenharze zur Trennung von myo-Inosit aus Zuckerströmen für Ströme vom Melassetyp aus der Zuckerindustrie eine durchführbare Alternative ist (Saska, "Industrial production of inositol: A byproduct from the cane molasses desugarization process" 1997, Int. Sugar Jnl., (99): 480–484).
- Maisquellwasser kann in heiklen Futteranwendungen, wie z.B. bei Kleintieren und insbesondere Ferkeln, nicht direkt als ein Futter benutzt werden, da der hohe Gehalt an Kalium und anderen Salzen Durchfall und andere Verdauungsstörungen begünstigt. Trotzdem ist Maisquellwasser eine qualitativ hochwertige Proteinquelle, die reich an in hohem Maße verfügbarem löslichem Protein und in Spezialfutteranwendungen von Interesse ist, vorausgesetzt, dass die problematischen Bestandteile daraus abgetrennt werden können.
- KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
- Erfindungsgemäß ist ein modifiziertes Maisquellwasserprodukt bereitgestellt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es
im Wesentlichen aschefrei ist, d.h. frei von anorganischen Salzen, insbesondere Kaliumsalzen, ist,
in der Trockenmasse mindestens 7,5 Gew.% myo-Inosit enthält und
in der Trockenmasse mindestens 60 Gew.% Proteine enthält. - Das modifizierte Maisquellwasserprodukt kann aus einem Maisquellwasser, das suspendierte Feststoffe, Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, Phytinsäure und Metallbeträge (Mg, Ca, Fe, Mn, Zn, Na und K), im allgemeinen in Form der Metallionen, aufweist, mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das die folgenden Schritte aufweist:
- (a) Unterwerfen des Maisquellwassers der Ultrafiltration, um die suspendierten Feststoffe und die Verbindungen mit hohem Molekulargewicht zu entfernen,
- (b) Behandeln des Produktes von Schritt (a) mit einem Phytaseenzym, um die Phytinsäure in Inositmonophosphat umzuwandeln,
- (c) Behandeln des Produktes von Schritt (b) mit einem sauren Phosphataseenzym, um das Inositmonophosphat in myo-Inosit umzuwandeln,
- (d) Einstellen des pH-Wertes des Produktes von Schritt (c) auf 7 bis einschließlich 9 unter Benutzung einer löslichen Base, die bewirkt, dass die meisten oder alle Mg-Beträge ausgefällt werden, und Entfernen des Niederschlags und
- (e) Inberührungbringen des Produktes von Schritt (d) mit einem stark sauren chromatographischen Kationenharz, um eine erste Fraktion, die das meiste der verbleibenden Metallbeträge enthält, und eine zweite Fraktion zu erzeugen, die das meiste des myo-Inosits enthält, wobei die zweite Fraktion das modifizierte Maisquellwasserprodukt ist.
- KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist ein Chromatogramm aus der experimentellen Arbeit, und -
2 ist ein Fließdiagramm, das ein kontinuierliches simuliertes Fließbett (simulated moving bed) aus der experimentellen Arbeit veranschaulicht. - BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
- Der Kernpunkt der Erfindung ist ein modifiziertes Maisquellwasserprodukt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es im Wesentlichen aschefrei ist, d.h. frei von anorganischen Salzen, insbesondere Kaliumsalzen, ist, in der Trockenmasse mindestens 7,5 Gew.% myo-Inosit enthält und in der Trockenmasse mindestens 60 Gew.% Proteine enthält.
- Das Produkt enthält in der Trockenmasse vorzugsweise mindestens 10 Gew.% myo-Inosit und mindestens 75 Gew.% Proteine.
- Das Produkt enthält in der Trockenmasse vorzugsweise auch mindestens 5 Gew.% Zucker.
- Das modifizierte Maisquellwasserprodukt der Erfindung ist zur Anwendung als ein Tierfutter.
- Das modifizierte Maisquellwasserprodukt kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, das unter Bezugnahme auf die folgende experimentelle Arbeit ausführlicher beschrieben ist:
- Experimentelle Arbeit
- Schritt (a) - Ultrafiltration
- Rohes Maisquellwasser (CSL) aus einer Mais-Nassmühle wurde auf einen Feststoffgehalt von 30 % (M/M) verdünnt und einer Niro-Ultrafiltrationsanlage zugeführt, unter den folgenden Betriebsbedingungen:
Spiralförmig gewundene PVDF-Membranen mit 30.000 kD von Advanced Membrane Technology Inc. (AMT),
Überströmgeschwindigkeit 2 bis 4 m/s unter Benutzung von Abstandhaltern von 80 Milli-Inch (2 mm), Druckabfall 1 bar,
Transmembrandruck (TMP) von 4 bis 5 bar,
Konzentrationsverhältnis (Retentat/Zufuhr) von 0,5,
Trübung des Permeats (suspendierte Feststoffe) kleiner als 10 NTU (nephelometrische Trübungseinheiten), gemessen mittels Nephelometer,
pH-Wert des Zufuhrmaterials 4,0,
Temperatur 40 °C. - Das Ergebnis ist ein Produkt, aus dem die suspendierten Feststoffe und die Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, die in Schritt (e) zum Blockieren des Harzes führen würden, entfernt sind.
- Schritt (b) - Phytase-Behandlung
- Das myo-Inosit in dem geklärten CSL von Schritt (a) liegt im Wesentlichen als Phytinsäure oder als ein Salz dieser vor. Da es sich um ein phosphathaltiges Produkt handelt, würde dieses Produkt bei jedem Trennvorgang der Aschefraktion folgen, und daher muss die Phytinsäure vor der Abtrennung der Aschefraktion in freies myo-Inosit umgewandelt werden. Dies wird unter Benutzung eines Phytaseenzyms durch enzymatische Hydrolyse der Phytinsäure zu Inositmonophosphat erreicht. Die Behandlungsbedingungen sind wie folgt:
Benutztes Enzym: BASF Natuphos, wie beschrieben in der BASF-Produktbroschüre in der freien Form,
Enzymdosierung: 500 FTU (Phytaseaktivitätseinheiten) pro kg CSL (30 % Feststoffgehalt),
optimaler pH-Wert: 3,0 bis 4,0, um angemessene Phytaseaktivität und auch Haltbarkeit des CSL sicherzustellen,
Temperatur 40 °C,
Verweilzeit: 12 Stunden. -
- Sofern nicht anders angegeben, sind alle Analysen auf einer Feuchtsubstanzbasis angegeben.
- Schritt (c) - Behandlung mit saurer Phosphatase
- Ein saures Phosphataseenzym wird benutzt, um das Inositmonophosphat, das eine einzelne Phosphatgruppe enthält, zu freiem myo-Inosit und dem freien Phosphat zu hydrolysieren. Die Bedingungen der Behandlung mit saurer Phosphatase sind wie folgt:
Benutztes Enzym: Sumizyme PM-L von der Shin Nihon Company (Aktivität 3.000 E/g),
Dosierung: 1 Aktivitätseinheit pro g CSL (30 % Feststoffgehalt),
Temperatur 65 °C und pH-Wert 4,0 bis 4,5,
Verweilzeit: 24 Stunden,
Erzielte Umwandlung: > 98 %, bestimmt mittels HPLC-Messung von Inosit und IMP. - Schritt (d) - pH-Wert-Einstellung und Entfernen von Mg-Beträgen
- Es ist wünschenswert, den chromatographischen Trennschritt an Harz (Schritt (e)) durchzuführen, ohne dass zweiwertige Kationen gegenwärtig sind. Es ist allgemein bekannt, dass diese Kationen einen negativen Einfluss auf die Auflösung der chromatographischen Trennung ausüben.
- Um dieses Problem zu vermeiden, wird daher der pH-Wert des Produktes von Schritt (c) unter Benutzung von Ammoniak auf einen Wert zwischen 7,5 und 8,5 eingestellt, um die Fällung von Struvit zu bewirken.
- Der Niederschlag wurde aufgefangen und einer XRF-Analyse unterzogen, die bestätigte, dass das Material Struvit war. Die Analyse von N, Mg und PO4 unter Benutzung nasschemischer Analyseverfahren bestätigte die Gegenwart dieser Verbindungen in den genauen stöchiometrischen Mengen, die für reines Struvit erwartet werden. Es wurde ebenfalls bestätigt, dass nur sehr wenig K (≈ 0,3 %) und kein Na, Cl, SO4 oder Schwermetalle gegenwärtig waren und dass die Reinheit mehr als 99 % betrug.
- Struvit findet Anwendung als ein Düngemittel mit langsamer Freisetzung.
- Das klare Filtrat wurde ebenfalls analysiert, und es wurde bestätigt, dass die Mg-Beträge im Wesentlichen vollständig entfernt waren. Dieses Produkt wurde dann im nächsten Schritt benutzt.
- Schritt (e) - Chromatographische Trennung
- Die Trennung wurde in einer Einzelsäule unter den folgenden Betriebsbedingungen durchgeführt:
Säule: Länge 100 cm bei 1 cm Durchmesser,
Harz: chromatographisches Harz Rohm and Haas CR1320,
Temperatur: 60 °C,
Harzvolumen: 78,5 ml,
Einspritzvolumen: 0,01 BV,
Durchflussgeschwindigkeit: 3 ml/min Wasser (2,25 BV/h oder Geschwindigkeit etwa 2,3 m/h),
Detektor: angeschlossener Brechungsindex~ (Waters 400). -
1 ist ein Chromatogramm, das die erzielte Trennung wie folgt zeigt:Leersäulenvolumen: 0,32 BV Peak der Fraktion 1 (Raffinat oder Asche) 0,40 BV Peak der Fraktion 2 (myo-inositreich) 0,58 BN - Der mit 1 markierte Peak ist der Peak der Aschefraktion, und der mit 2 markierte Peak ist der Peak der myo-inositreichen Fraktion.
- Die HPLC-Analysen wiesen darauf hin, dass die Aschefraktion die Lactat-, Sulfat-, Phosphat- und Chloridbeträge sowie alle Kationen enthielt.
- Trockensubstanzbestimmungen wiesen darauf hin, dass die gesamten Feststoffe des CSL gleichmäßig zwischen den Fraktionen 1 und 2 aufgeteilt waren, wobei das gesamte myo-Inosit in der Fraktion 2 angezeigt wurde. Die Konzentration von myo-Inosit betrug auf Basis der Trockensubstanz 10 %.
- Um die chromatographische Trennung zu optimieren, ist es wünschenswert, eine kontinuierliche Vorrichtung zu betreiben, wie z.B. ein simuliertes Fließbett (SMB). Auf diese Weise ist es möglich, den Volumenstrom des Elutionsmittels und des Zufuhrmaterials zu optimieren, um bei Mindestverdünnung die beste Trennung zu erzielen, während durch tatsächliche Bewahrung der Trennungs-Peaks in einer festen Position ein stetiger Betrieb aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, dass die beiden Fraktionen aus stationären Öffnungen gewonnen werden können, wie in
2 veranschaulicht ist, die unten ausführlicher beschrieben ist. - Die angegebenen bemessenen Durchflussgeschwindigkeiten wurden aus dem oben erörterten diskontinuierlichen Chromatogramm (Impulstest) unter Benutzung von Standardberechnungen zur Planung und Maßstabsvergrößerung bestimmt, wie benutzt von Advanced Separation Technologies (ein Geschäftsbereich von Calgon Carbon), um Trennungen auf Basis ihres rotierenden Karussellsystems Isep zu bemessen. Die Planungskriterien sind wie folgt:
Harzvolumen: 2,2 Liter insgesamt (220 ml pro Säule) Schrittdauer: 4 min Harzfluss: 55 ml/min Lineargeschwindigkeit: 7,5 m/h (sicherer Wert für Harz von 320 Mikrometern) Tiefe des Bettes: 0,45 m Zufuhrgeschwindigkeit: 0,1 BV/h Langsames Produkt: Fraktion 2 in Figur 2 ist die mit myo-Inosit angereicherte Fraktion Schnelles Produkt: Fraktion 1 in Figur 2 ist die aschehaltige Fraktion. - In
2 ist ein Pilotaufbau zur kontinuierlichen Abtrennung von mit myo-Inosit angereichertem CSL gezeigt. - Das Produkt von Schritt (d) wird mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 4 ml/min über die Leitung
12 in die Öffnung 5 der Vorrichtung eingespeist. Wasser wird mit einer Zufuhrgeschwindigkeit von 27,5 ml/min über die Leitung12 in die Öffnung 1 der Vorrichtung eingespeist. - Die Fraktion 1 wird mit einer Geschwindigkeit von 9,35 ml/min durch die Öffnung 9 über die Leitung
16 aus der Vorrichtung entfernt. - Die Fraktion 2 wird mit einer Geschwindigkeit von 22,15 ml/min durch die Öffnung 2 über die Leitung
18 aus der Vorrichtung entfernt. - Das Produkt aus der Öffnung 10 wird über die Leitung
20 zu der Wassereinlassleitung14 zurückgeführt. - Die Zahlen von 1 bis 10 in der Zeichnung bezeichnen stationäre Öffnungen. Jede der zehn das Harz enthaltenden Säulen in der Vorrichtung bewegt sich mit einer Schrittzeit von 4 Minuten von Öffnung zu Öffnung. In jedem Schritt bewegt sich jede Säule zu der nächsten Öffnung, und auf diese Weise wird ein kontinuierlicher Harzgegenstrom erzielt. Der Harzstrom beträgt 220 ml Harz/4 min bzw. 55 ml/min.
Claims (9)
- Modifiziertes Maisquellwasserprodukt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es (1) im Wesentlichen frei von anorganischen Salzen ist, (2) in der Trockenmasse mindestens 7,5 Gew.% myo-Inosit enthält, (3) in der Trockenmasse mindestens 60 Gew.% Proteine enthält.
- Produkt nach Anspruch 1, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es (2) in der Trockenmasse mindestens 10 Gew.% myo-Inosit enthält.
- Produkt nach Anspruch 1 oder 2, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es (3) in der Trockenmasse mindestens 75 Gew.% Proteine enthält.
- Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es (4) in der Trockenmasse mindestens 5 Gew.% Zucker enthält.
- Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Benutzung als ein Tierfutter.
- Tierfutter, aufweisend oder enthaltend ein modifiziertes Maisquellwasserprodukt, das dadurch gekennzeichnet ist, dass es (1) im Wesentlichen frei von anorganischen Salzen ist, (2) in der Trockenmasse mindestens 7,5 Gew.% myo-Inosit enthält und (3) in der Trockenmasse mindestens 60 Gew.% Proteine enthält.
- Tierfutter nach Anspruch 6, wobei das Produkt dadurch gekennzeichnet ist, dass es (2) in der Trockenmasse mindestens 10 Gew.% myo-Inosit enthält.
- Tierfutter nach Anspruch 6 oder 7, wobei das Produkt dadurch gekennzeichnet ist, dass es (3) in der Trockenmasse mindestens 75 Gew.% Proteine enthält.
- Tierfutter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Produkt dadurch gekennzeichnet ist, dass es (4) in der Trockenmasse mindestens 5 Gew.% Zucker enthält.
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