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Die
Erfindung betrifft das Gebiet von Tierfutterergänzungen und insbesondere die
Herstellung von Metallkomplexen von Aminosäuren aus Sojaproteinhydrolysaten.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Bedeutung der Spurenelemente Kupfer, Eisen, Mangan und Zink bei
der Tierernährung
wurde lange erkannt. Das Aufrechterhalten der Gesundheit und des
Wohlbefindens von Haustieren und Geflügel erfordert, daß diese
essentiellen Elemente in der Nahrung in ausreichenden Mengen und
in biologisch aufnehmbarer Form vorhanden sind. Da es üblichen
Futterbestandteilen an diesen Elementen mangeln kann, werden zusätzliche
Mengen der Elemente zum Futter von Haustieren und Geflügel zugegeben.
Viele kommerziellen Futterzusatzstoffe wurden entwickelt, um die
essentiellen Elemente in Formen bereitzustellen, die leicht biologisch
verwertbar sind. Der Grad der biologischen Aufnehmbarkeit, das heißt das Ausmaß, in dem
die Nährstoffe
tatsächlich
in einer Form vorliegen, die aufgenommen und verwertet werden kann,
wird häufig
als "Bioverfügbarkeit" bezeichnet. Die
Bioverfügbarkeit
hängt von
den physikalischen und chemischen Eigenschaften der Form ab, in
der der Nährstoff
in der Nahrung vorhanden ist. Eine erhöhte Bioverfügbarkeit von zusätzlichen essentiellen
Metallen ist günstig,
da sie die Verwendung einer niedrigeren Konzentration des Zusatzstoffs
in der Nahrung ermöglicht,
um die Ernährungsbedürfnisse
von Tieren zu erfüllen,
während
gleichzeitig die potentiellen schädlichen Wirkungen von hohen
Anteilen der Spurenmetalle sowohl auf die Tiere als auch auf die
Umwelt verringert werden.
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Verschiedene
kommerzielle Produkte stehen zur Verfügung, in denen Spurenelemente
besser bioverfügbar
sind als die entsprechende anorganische Quelle des Metalls. Die
verbesserte Bioverfügbarkeit
wird der Verbindung des Metalls mit einem organischen Molekül, das im
allgemeinen als Ligand bekannt ist, zugeschrieben. Diese Verbindung
oder Bindung modifiziert die physikalischen und chemischen Eigenschaften
des Metalls, was zu erhöhter
Löslichkeit,
verbesserter Stabilität
im Darm, verbesserter Absorption in den Kreislauf und erhöhter Stoffwechselverwenung
führt.
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Der
gemeinsame Anmelder der vorliegenden Anmeldung hat in der Vergangenheit
Metallkomplexe von Aminosäuren
als besser bioverfügbare
Quelle der essentiellen Elemente synthetisiert und patentiert. Das folgende
sind Beispiele dieser Patente: die US-Patente 3 941 818; 3 950 372;
4 021 569; 4 039 681; und 4 067 994 offenbaren 1:1-Komplexe von
Alpha-Aminosäuren,
vorzugsweise DL-Methionin
mit den Übergangsmetallen
Zink, Chrom, Mangan und Eisen. Die Bildung von ähnlichen Komplexen mit L-Methionin
ist im US-Patent 5 278 329 offenbart. Die US-Patente 4 900 561 und
4 948 594 offenbaren Kupferkomplexe von Alpha-Aminosäuren, die
endständige
Aminogruppen enthalten. Komplexe von Kupfer, Mangan, Zink und Eisen
mit aliphatischen Alphahydroxy[I]carbonsäuren sind in den US-Patenten
4 956 188 und 5 583 243 offenbart. Die US-Patente 4 670 269 und
4 678 854 offenbaren Komplexe von Kobalt mit Polyhydroxy[I]carbonsäure wie
z.B. Glucoheptansäure.
Komplexe der Aminosäure
L-Lysin mit Spurenelementen sind im US-Patent 5 061 815 offenbart.
Die Wirksamkeit der in diesen Patenten offenbarten Verbindungen
wurde aus Daten demonstriert, die in diesen Patenten selbst und
in zahlreichen wissenschaftlichen Veröffentlichungen und technischen
Berichten bereitgestellt sind.
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Die
obigen Patente beschreiben die Verwendung von reinen synthetischen
oder natürlichen
Amino- oder Hydroxy[I]säuren.
Im US-Patent 5 698 724 offenbarte der Anmelder der vorliegenden
Anmeldung die Synthese von Komplexen von essentiellen Elementen
mit natürlichen
Aminosäuren,
die durch die Hydrolyse von Proteinen im allgemeinen erhalten werden.
Seit dieses Patent ausgegeben wurde, haben eine große Anzahl von
Feldstudien demonstriert, daß Spurenelemente
von diesen Komplexen besser bioverfügbar sind als solche Metalle
von anorganischen Quellen. Die im US-Patent 5 698 724 offenbarte
Technik hat für
die Massenproduktion von verschiedenen Metall-Aminosäure-Komplexen
aus einer Vielzahl von leicht erhältlichen Proteinen gut funktioniert.
1998 genehmigte jedoch die Europäische
Union die Verwendung einer Gruppe von Spurenelementchelaten von
Aminosäuren
als Futterzusatzstoffe, aber nur unter bestimmten Bedingungen. Die
genehmigten Zusatzstoffe umfassen Kupfer-, Eisen-, Mangan- und Zinkchelate
von Aminosäuren.
Die Quelle der bei der Herstellung dieser Chelate verwendeten Aminosäuren ist
auf hydrolysiertes Sojaprotein eingeschränkt.
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Viele
technischen Schwierigkeiten wurden beim Anwenden der im US-Patent
5 698 724 offenbarten Technik für
die Herstellung der Spurenelementchelate von Aminosäuren aus üblicherweise
kommerziell erhältlichen
Quellen von Sojaprotein angetroffen. Diese technischen Schwierigkeiten
erforderten spezialisierte Bedingungen für ein auf Sojaprotein basierendes
Produkt, das speziell auf den europäischen Markt abgezielt ist.
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Sojaprotein
ist in einer Anzahl von Klassen erhältlich, die verschiedene Konzentrationen
an Protein enthalten. Sojaproteinkonzentrat ist ein kommerziell
erhältliches
Produkt, das durch Entfernen des meisten von Öl, Asche und Faser erhalten
wird. Das meiste des Sojakohlenhydrats bleibt im Konzentrat. Typischerweise
enthält
Sojaproteinkonzentrat etwa 65% Protein, etwa 25% Kohlenhydrate und
der Rest ist Öl,
Asche und Faser. Sojaproteinisolat ist eine weitere leicht kommerziell
erhältliche
Klasse von Sojaprotein, die durch Entfernen des meisten an Kohlenhydraten,
Faser und Fett aus Soja erhalten wird. Typischerweise enthält Sojaproteinisolat
etwa 90% Protein, weniger als 5% Kohlenhydrat und der Rest ist Öl, Asche
und Faser. Der Unterschied zwischen diesen zwei Klassen von Sojaprotein
ist die höhere
Konzentration an Protein im Isolat und die höhere Konzentration an Kohlenhydraten
im Konzentrat. Die physikalischen Eigenschaften dieser zwei Formen
sind signifikant unterschiedlich und diese Unterschiede wirken sich
auf die Eignung des Produkts zur Verwendung als Quelle von Aminosäuren bei
der Herstellung von Spurenelementmetall-Komplexen aus.
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Die
Anwesenheit von hohen Konzentrationen an Kohlenhydraten im Sojaproteinkonzentrat
führte
beispielsweise zur Bildung eines viskosen Rückstands und eines schweren
Niederschlags während
der Säurehydrolyse.
Dies verkomplizierte die effiziente Bildung der Metall-Aminosäure-Komplexe
und die gleichmäßige Verteilung
der nach der Bildung der Komplexe gebildeten Flüssigkeit auf dem Träger zum
Trocknen. Außerdem begrenzte
der relativ niedrige Proteingehalt des "Konzentrats" die Menge an Metall-Aminosäure-Chelaten, die in
das Endprodukt integriert werden konnten.
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Das
Sojaproteinisolat hat auch einige spezielle Prozeßanliegen.
Es weist eine relativ hohe Konzentration an Protein und niedrige
Konzentration an Kohlenhydraten auf, die es zu einer potentiell
annehmbaren Proteinquelle für
die Herstellung der Metall-Aminosäure-Chelate macht, dieses Produkt
weist jedoch eine relativ niedrige Schüttdichte und Benetzbarkeit
auf, die technische Schwierigkeiten beim Mischen des voluminösen Pulvers
mit einem relativ kleinen Volumen an Säure, die zur Hydrolyse erforderlich
ist, darstellt. Es ist daher zu sehen, daß ein fortbestehender Bedarf
für Prozeßverbesserungen
besteht, um sowohl Sojaproteinkonzentrat als auch Sojaisolat in
dem Prozeß der
Herstellung von Spurenelement/Aminosäure-Chelaten brauchbar zu machen.
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Folglich
ist die Hauptaufgabe dieser Erfindung die Bereitstellung eines praktischen
Verfahrens zum Verarbeiten der Sojaproteinquelle und zum effizienten
Hydrolysieren einer solchen Quelle, um Aminosäuren zu erhalten, um Spurenelement/Chelate
zu bilden, die die Spezifikationen der Länder der Europäischen Union erfüllen.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines einfachen
und wirtschaftlichen Verfahrens zum Steuern des Herstellungsprozesses,
um die Menge an hergestellten Metall-Aminosäure-Komplexen zu maximieren.
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Eine
noch weitere spezielle Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung
eines sicheren und einfachen Verfahrens für die Herstellung von Kupfer-Aminosäure-Komplexen nach Proteinhydrolyse
mit Schwefelsäure.
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Wenn
man sich als nächstes
Eisen zuwendet, war die Massenproduktion von Eisen-Aminosäure-Komplexen
aus Eisenoxid mit kommerzieller Qualität gemäß den Lehren von
US 5 698 724 aufgrund der rauhen Bedingungen,
die zum Auflösen
des Eisenoxids erforderlich sind, nicht praktisch. Außerdem konnten
Aminosäurekomplexe
von Fe(II) nicht unter Verwendung der in
US 5 698 724 beschriebenen Verfahren
hergestellt werden. Es ist erforderlich, ein neues Verfahren für die Herstellung
von Eisen-, insbesondere Fe(II)-, Aminosäure-Komplexen aus hydrolysiertem Sojaprotein
sowie anderen Proteinquellen zu entwickeln.
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Eine
weitere Aufgabe dieser Erfindung ist die Bereitstellung eines praktischen
Verfahrens für
die Herstellung von Eisen-, insbesondere Eisen(II)-, Komplexen von
Aminosäuren,
die durch Salzsäurehydrolyse
von Proteinen, einschließlich
Sojaprotein, erhalten werden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
praktisches Verfahren für
die effiziente Hydrolyse von kommerziell erhältlichen Quellen von Sojaprotein
und die anschließende
Bildung von Metall-Aminosäure-Komplexen wird beschrieben.
Das Verfahren beinhaltet die Verwendung eines Gemisches der zwei üblichen
Klassen von Sojaprotein, um ein Gemisch bereitzustellen, das die
erforderliche Konzentration an Protein enthält und die optimale physikalische
Eigenschaft aufweist. Das Gemisch wird zu einer heißen, gut
gerührten
Säurelösung zugegeben.
Nachdem die Feststoffe mit der Säure
vermischt sind, wird die Lösung
auf Temperaturen zwischen 100 und 150°C für 1-12 Stunden erhitzt, bis das Protein
vollständig
zu einzelnen Aminosäuren
hydrolysiert ist.
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Um
den Herstellungsprozeß zu
optimieren und die Konzentration der Metall-Aminosäure-Komplexe im Produkt zu
maximieren, muß die
Menge an zur Hydrolyse verwendeter Säure gesteuert werden. Die Aminosäurezusammensetzung
des Proteins wird vor der Hydrolyse bestimmt und die Gesamtzahl
an Molen aller in der Proteinquelle vorhandenen Aminosäuren wird
berechnet. Die Menge an Metall, die erforderlich ist, um die gewünschten
Metall-Aminosäure-Komplexe
zu bilden, wird berechnet und die äquivalente Menge an Säure, um
das Metall zu solubilisieren, wird bestimmt. Diese Erfindung macht
die Notwendigkeit für
die Verwendung einer Base zum Neutralisieren von überschüssiger Säure und
zum Einstellen der Lösung
auf den für
die optimale Bildung der Metallkomplexe erforderlichen pH-Wert zunichte.
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Gemäß dieser
Erfindung wird ein Verfahren für
die Herstellung von Kupfer-Aminosäure-Komplexen nach
Hydrolyse von Sojaprotein mit Schwefelsäure beschrieben. Schwefelsäure 6–8 N wird
zur Hydrolyse verwendet. Das Gemisch von Säure und Protein wird auf 100–150°C für 1–12 Stunden
erhitzt. Kupferoxid wird zur Säurehydrolyselösung zugegeben,
um die Kupfer-Aminosäure-Komplexe
zu bilden.
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Ein
einfaches Verfahren für
die Herstellung von Eisen(II)-Aminosäure-Komplexen aus dem Produkt der
Salzsäurehydrolyse
von Sojaprotein wird beschrieben. Sojaprotein wird mit Salzsäure hydrolysiert,
wie vorstehend beschrieben. Das Hydrolyseprodukt wird dann mit Kalziumhydroxid
behandelt, um die Kalzium-Aminosäure-Komplexe
zu bilden. Eisen-(II)-Sulfat wird zugegeben. Kalziumsulfat wird
gebildet und ausgefällt.
Der Eisen-(II)-Aminosäure-Komplex
wird gebildet und bleibt in Lösung.
Das Produkt wird auf einem Träger
getrocknet.
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Ausführliche
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Zwei
Klassen von Sojaprotein sind mit angemessenen Kosten leicht kommerziell
erhältlich.
Diese sind Sojaproteinkonzentrat und Sojaproteinisolat. Sojaproteinkonzentrat
ist frei fließend
und läßt sich
gut mit Wasser vermischen. Wie vorher erwähnt, führte die Anwesenheit von hohen
Konzentrationen an Kohlenhydraten im Sojaproteinkonzentrat zur Bildung
eines viskosen, schweren Rückstands
während
der Hydrolyse. Die Anwesenheit des schweren Rückstands verkomplizierte die
effiziente Bildung der Metall-Aminosäure-Komplexe und die gleichmäßige Verteilung
der Flüssigkeit,
die nach der Bildung der Komplexe gebildet wurde, auf dem Träger zum
Trocknen. Auch wie vorher erwähnt,
weist Sojaproteinisolat eine relativ niedrige Schüttdichte
und Benetzbarkeit auf. Dieses Produkt ließ sich nicht gut vermischen,
wenn es zur Säurelösung zugegeben
wurde, und machte die Hydrolyse ineffizient. Um die mit der Verwendung
eines dieser Sojaaminosäure-Quellenprodukte
verbundenen Schwierigkeiten zu beseitigen, stellten wir fest, daß ein Gemisch
der zwei Produkte die unerwünschten
Eigenschaften von jedem minimiert. Ein bevorzugtes Gemisch, das
aus 80% Sojaproteinisolat und 20% Sojaproteinkonzentrat besteht,
enthält
Protein in einer ausreichend hohen Konzentration und Kohlenhydrate
in einer ausreichend niedrigen Konzentration, um es für die Herstellung
von Metall-Aminosäure-Komplexen
geeignet zu machen. Im allgemeinen kann das Gemisch 50% bis 80%
Sojaisolat und 20% bis 50% Sojakonzentrat sein. Vorzugsweise sollte
die Menge an Konzentrat im allgemeinen 50% nicht übersteigen oder
Prozeßprobleme
können
auftreten.
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Anstrengungen
zum Mischen des Gemisches der Sojaproteinquellen mit der Säurelösung unter
Verwendung derselben Verfahren, die bei anderen Proteinquellen verwendet
werden, waren erfolglos. Die Zugabe des Gemisches zur Säurelösung bei
Raumtemperatur führte
dazu, daß das
Sojaprotein eine schwere gelatinöse
Masse bildete, die bei Erhitzen nicht in Lösung ging. Die Zugabe der Sojaproteinquelle
zu einer heftig gerührten
Säurelösung bei
Raumtemperatur führte
zur Bildung einer schweren gelatinösen Masse, die dem Rühren widerstand
und bei Erhitzen nicht leicht löslich
war. Nur wenn die Säurelösung auf
Temperaturen oberhalb 70°C
erhitzt wurde und das Sojaprotein langsam unter heftigem Rühren zugegeben
wurde, verteilten sich die Feststoffe gleichmäßig in der Säurelösung. Fortgesetztes
Erhitzen führte
zum Auflösen
der meisten Feststoffe und zur vollständigen Hydrolyse des Proteins
zu den gewünschten
Aminosäuren.
Das Produkt enthielt nur eine kleine Menge an suspendierten Feststoffen
(10–12%
des Gewichts an verwendetem Sojaprotein). Die hier erwähnte Säurelösung wird
für die
Bildung des Metall-Aminosäure-Komplexes verwendet,
wie in den hierin später
beschriebenen Beispielen beschrieben.
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Die
relativ hohen Kosten der Sojaproteinprodukte und die strengen Spezifikationen
für Produkte,
die zur Verwendung in den Ländern
der Europäischen
Union genehmigt wurden, erfordern, daß der Herstellungsprozeß sorgfältig gesteuert
und betrieben wird, um diese Produkte kommerziell brauchbar zu machen.
Um die Konzentration an Metallaminosäuren in diesen Produkten zu
maximieren, muß die
Menge an Säure,
die zur Hydrolyse erforderlich ist, genau untersucht werden. Die
Menge an Säure
muß gerade
genug sein, um die Proteinquelle wirksam zu hydrolysieren und dann
die erforderliche Menge an Metallsalz zur Reaktion mit den aus der
Proteinhydrolyse erzeugten Aminosäuren zu bilden. Wenn die verwendete
Menge an Säure
die Menge übersteigt,
die zum Bilden der Metallkomplexe erforderlich ist, muß der pH-Wert
des Reaktionsgemisches mit einer geeigneten Base auf einen Bereich
eingestellt werden, der für
eine optimale Stabilität
der Metall-Aminosäure-Komplexe
erforderlich ist. Dies führt
zum Verringern der maximalen Konzentration der Metall-Aminosäure-Komplexe,
die im Endprodukt aufgenommen werden können. In dieser Hinsicht ist
daher die Verwendung der korrekten Menge an Säure für das Maximieren der Menge
der Komplexe in dem Produkt wichtig.
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In
vorherigen Untersuchungen wurde festgestellt, daß die maximale Hydrolyse von
Protein beobachtet wird, wenn das Volumen der Säure mindestens zweimal das
Gewicht des Proteins ist (siehe US-Patent Nr. 5 698 724). Außerdem legt
das Gesamtgewicht des Reaktionsgemisches nach der Bildung des Komplexes
das minimale Gewicht eines Trägers
fest, der zum wirksamen Trocknen des Produkts zugegeben werden kann. Diese
zwei Faktoren zusammengenommen erklären die Bedeutung der Steuerung
der verwendeten Menge an Säure,
um die Konzentration der Metall-Aminosäure im Endprodukt zu maximieren.
Um den Herstellungsprozeß zu
optimieren und die Konzentration der Metall-Aminosäure-Komplexe in dem Produkt
zu maximieren, muß die
zur Hydrolyse verwendete Menge an Säure sehr sorgfältig berechnet
werden. Die Aminosäurezusammensetzung
des Proteins wird vor der Hydrolyse bestimmt und die Gesamtzahl
an Molen aller in einem Einheitsgewicht der Proteinquelle vorhandenen
Aminosäuren
wird berechnet. Die Menge an Metall, die erforderlich ist, um die
gewünschten
Metall-Aminosäure-Komplexe
zu bilden, wird berechnet. Die erforderliche Anzahl von Molen des
Metalls hängt
von der Anzahl von Molen von Aminosäuren, die im Protein vorliegen,
und von der Art des erwünschten
Komplexes ab. Um die 1:1-Metall-Aminosäure-Komplexe zu bilden, ist
die erforderliche Anzahl von Molen der Metallquelle gleich der Anzahl
von Molen von vorhandenen Aminosäuren.
Um die 1:2-Metall-Aminosäure-Komplexe
zu bilden, ist die Anzahl von Molen der Metallquelle gleich ½ der Anzahl
von Molen der vorhandenen Aminosäuren.
Um die Konzentration des Komplexes in dem Produkt zu maximieren, sollte
die Menge an Säure,
die zum Hydrolysieren des Proteins verwendet wird, gleich der Menge
sein, die zur Reaktion mit dem Metall erforderlich ist, und das
Volumen der verwendeten Säure
sollte gleich zweimal dem Gewicht des Proteins sein oder dieses übersteigen.
Die gewünschte
Menge an Säure
wird in der optimalen Konzentration zur Hydrolyse von Protein hergestellt.
Dies wird als 6N für
Salzsäure
und 6–8N
für Schwefelsäure festgestellt.
Die Verwendung der exakten stöchiometrischen
Menge an Säure,
die zum Auflösen
des Metalls erforderlich ist, macht die Notwendigkeit für die Verwendung
einer Base wie z.B. Natriumhydroxid zum Neutralisieren von überschüssiger Säure und
zum Einstellen der Lösung
auf den für
die optimale Bildung der Metallkomplexe erforderlichen pH-Wert zunichte,
wie im US-Patent Nr. 5 698 724 beschrieben.
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Nachdem
das Sojaisolat/Konzentrat-Gemisch zu einzelnen Aminosäureanteilen
säurehydrolysiert wurde,
ist es bereit zur Verwendung bei der Bildung der Komplexe oder Liganden
mit Quellen von Spurenelementen wie z.B. löslichen Salzen von Kupfer,
Eisen, Mangan und Zink. Von diesem Punkt an kann der Prozeß unserer
früheren
Patente verwendet werden. Im allgemeinen wird das lösliche Spurenelement
unter gewissem Erhitzen und Mischen, bis es sich auflöst, zugegeben.
Häufig
wird es bis auf etwa 100°C
für eine
Stunde erhitzt und dann abgekühlt.
Anschließend
kann das Gemisch, falls erwünscht,
zu einem Träger
zugegeben werden, um ein homogenes Produkt herzustellen.
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Geeignete
lösliche
Quellen der gewünschten
Spurenelemente können
Oxide und anorganische Säuresalze
der jeweiligen Metalle umfassen. Man kann beispielsweise Zinkoxid,
Kupferoxid etc. oder lösliche
Salze wie z.B. Eisen-(II)-Sulfat,
Mangansulfat usw. verwenden. Die Herstellung von Kupfer-Aminosäure-Komplexen aus Aminosäuren, die
durch Proteinhydrolyse hergestellt werden, stellt eine technische
Herausforderung dar. Dies ist der Fall, ob die Proteinquelle Sojaprotein
oder eine andere geeignete Proteinquelle ist. Obwohl mehrere Mineralsäuren für die Proteinhydrolyse
verwendet werden können,
ist es im allgemeinen anerkannt, daß Salzsäure die Säure der Wahl zum Maximieren
der Erzeugung der Metall-Aminosäure-Komplexe
ist. Die Zugabe einer starken oxidierenden Substanz wie z.B. Kupferoxid,
wie im US-Patent Nr. 5 698 724 beschrieben, zu dem Gemisch von hydrolysiertem
Protein, das Salzsäure
enthält,
beinhaltet jedoch ein signifikantes Risiko und muß sehr sorgfältig durchgeführt werden.
Kupferoxid ist in der Lage, Salzsäure zu oxidieren, so daß Chlorgas
mit der begleitenden Bildung von Kupfermetall geliefert wird. Dies
verringert nicht nur die Qualität
des Produkts, sondern stellt auch eine Umweltgefahr dar. Die Verwendung
von Schwefelsäure
zur Proteinhydrolyse ist im US-Patent Nr. 4 874 893 beschrieben.
Hohe Konzentrationen der Säure
(12N Schwefelsäure)
waren jedoch für
eine effiziente Hydrolyse erforderlich. Dies wurde der Tatsache
zugeschrieben, daß Schwefelsäure zwei
Protonendissoziationskonstanten aufweist. Die zweite Dissoziationskonstante
ist als zu niedrig, um an der Proteinhydrolyse teilzunehmen, angegeben.
Da eine maximale Metall-Aminosäure-Komplexbildung
erfordert, daß die
Konzentration der verwendeten Säure
zwischen 6N und 8N liegt, wurde die Verwendung von Schwefelsäure in der
Vergangenheit nicht untersucht.
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Diese
Erfindung beschreibt die erfolgreiche Hydrolyse von Protein unter
Verwendung von niedrigeren Konzentrationen von Säure, um die Konzentration des
Kupfer-Aminosäure-Komplexes
im Endprodukt zu maximieren. Schwefelsäure in Konzentrationen von
6N bis 8N wurde für
die effiziente Hydrolyse von Protein, einschließlich Sojaprotein, verwendet.
Die vollständige
Hydrolyse wurde nach Erhitzen des Säureproteingemisches auf 100–140°C für 1–12 Stunden
beobachtet. Die Zugabe von Kupferoxid zur Schwefelsäurelösung von Aminosäuren führte zur
gleichmäßigen Auflösung des
Oxids und zur Bildung von Kupfer-Aminosäure-Komplex.
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Die
Massenproduktion von Eisen-Aminosäure-Komplexen aus Eisenoxid
gemäß dem US-Patent
Nr. 5 698 724 war nicht praktisch. Kommerziell erhältliches
Eisenoxid erforderte rauhe Bedingungen zum Auflösen in der nach der Proteinhydrolyse
erhaltenen Säurelösung. Außerdem konnten
keine Aminosäurekomplexe
von Eisen(II) unter Verwendung der im US-Patent Nr. 5 698 724 beschriebenen
Verfahren erhalten werden. In dieser Erfindung beschreiben wir ein
Verfahren für
die Herstellung von Eisen-Aminosäure-Komplexen aus Eisen(II)-
oder Eisen(III)-Sulfat und Proteinhydrolysaten. Sojaprotein wird
unter Verwendung von 6N Salzsäure hydrolysiert,
wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben. Kalziumhydroxid wird
in einer ausreichenden Menge zugegeben, um die Säure zu neutralisieren und den
Kalzium-Aminosäure-Komplex zu bilden.
Zu diesem Gemisch wird eine äquivalente
Menge des Eisen(III)- oder Eisen(II)-Sulfats unter heftigem Rühren zugegeben.
Eine Austauschreaktion findet zwischen den Chloridionen in Lösung und
den Sulfationen von dem Eisensalz statt, was zur Ausfällung von
Kalziumsulfat und zur Bildung der Eisen-Aminosäure-Komplexe führt. Das
ausgefällte
Kalziumsulfat wird durch Filtration entfernt und das Filtrat wird über dem
geeigneten Träger getrocknet.
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Geeignete
Spurenelement-Aminosäure-Träger sind
gut bekannt und in unseren früheren
Patenten geeignet beschrieben, und somit muß hier keine ausführliche
Beschreibung gegeben werden. Ein solches Beispiel, wie in den Beispielen
demonstriert, ist Federmehlprotein.
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Die
folgenden Beispiele werden geboten, um die Erfindung zu erläutern, aber
nicht zu begrenzen. Es ist selbstverständlich, daß gewisse Modifikationen vorgenommen
werden können
und die Vorteile der Erfindung dennoch erzielt werden können.
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Beispiel 1
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Hydrolyse von Sojaproteinkonzentrat
mit 6N Salzsäure
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 200 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt.
100 g Sojaproteinkonzentrat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben. Das
Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf 100°C erhitzt und
für 12
Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach einer Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen,
dicken Rückstands.
Das Gemisch wurde gekühlt
und durch einen gewogenen Filtertiegel filtriert. Der Filter wurde mit
destilliertem Wasser gewaschen, wobei die Waschungen in dem gleichen
Filterkolben gesammelt wurden. Der Filter wurde getrocknet und gewogen.
Das Gewicht des Filtrats wurde bestimmt und der Aminosäure- und Proteingehalt
des Filtrats wurden bestimmt. Der Rückstand wog 24,916 g, was sich
auf 24,92% des zugegebenen Proteins belief. Das Filtrat wog 338,680
g. Das Filtrat enthielt 0,7087% Protein und 12,945% Aminosäuren. Dies
entspricht 2,40% Protein und 43,84% Aminosäuren des ursprünglichen
Gewichts des verwendeten Sojaproteinkonzentrats.
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Beispiel 2
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Herstellung von Zink-Aminosäure-Komplex
aus mit Salzsäure
hydrolysiertem
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Sojaproteinkonzentrat
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 200 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt.
100 g Sojaproteinkonzentrat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben. Das
Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf 100°C erhitzt
und für
12 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen, dicken Rückstands.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf fast 50°C gekühlt. 38,672
g Zinkoxid wurden langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Zinkoxid gelöst
war, wurde das Reaktionsgemisch langsam auf 100°C erhitzt und 1 Stunde auf dieser
Temperatur gehalten. Das Gemisch wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. Der
pH-Wert des Gemisches betrug 2,137. 20 g 50%iges Natriumhydroxid wurden
langsam zugegeben. Der pH-Wert der Lösung betrug 3,086. Das Gemisch
wurde zu 150 g eines Trägergemisches
unter heftigem Mischen zugegeben, um ein homogenes, feuchtes Produkt
zu ergeben. Das Gemisch wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet.
Zinkgehalt
= 8,953%, Zink-Aminosäure-Komplex
= 6,998%, % gebunden = 78,16%.
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Die
verwendete Menge an Säure
war das Minimum, das verwendet werden kann. Die zugegebene Menge
an Zinkoxid ist das Maximum, das auf der Basis der Proteinkonzentration
im Sojaproteinkonzentrat verwendet werden konnte. Die theoretische
Ausbeute an Zink ist 9%. Die Zinkwiedergewinnung war 99,48%. Die niedrige
Ausbeute an Zink-Aminosäure-Komplex
ist das Ergebnis des niedrigen Aminosäuregehalts und der niedrigen
Hydrolyseeffizienz aufgrund der Anwesenheit von abgebautem Kohlenhydrat.
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Beispiel 3
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Hydrolyse von Sojaproteinisolat
mit 6N Salzsäure
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 200 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt.
100 g Sojaproteinisolat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben.
Das Sojaproteinisolat ließ sich
nicht mit der Säure
vermischen und bildete eine schwere, gelatinöse Masse, die das Rühren des
Gemisches verhinderte. Das Gemisch wurde unter Rückfluß langsam auf 100°C erhitzt.
Das Sojaprotein ging nicht in Lösung
und verursachte Pumpen, das sich daraus ergab, daß die Feststoffe
an der Innenseite des Kolbens anhafteten.
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Beispiel 4
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Hydrolyse von Sojaproteinisolat
mit 6N Salzsäure
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 213 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt
und auf 70–80°C erhitzt.
100,045 g Sojaproteinisolat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf 100°C erhitzt
und für
12 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen Rückstands.
Das Gemisch wurde gekühlt
und durch einen gewogenen Filtertiegel filtriert. Der Filter wurde
mit destilliertem Wasser gewaschen und die Waschungen wurden in
dem gleichen Filterkolben gesammelt. Der Filter wurde getrocknet
und gewogen. Das Gewicht des Filtrats wurde bestimmt und der Aminosäure- und
Proteingehalt des Filtrats wurden bestimmt. Der Rückstand
wog 10,216 g, was sich auf 10,22% des zugegebenen Proteins belief.
Das Filtrat wog 425,686 g. Das Filtrat enthielt 0,7371 % Protein
und 16,794% Aminosäuren.
Dies entspricht 3,14% Protein und 71,49% Aminosäuren des ursprünglichen
Gewichts des verwendeten Sojaproteinisolats.
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Beispiel 5
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Herstellung von Zink-Aminosäure-Komplex
aus mit Salzsäure
hydrolysiertem
-
Sojaproteinisolat
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 213 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt
und auf 70–80°C erhitzt.
100 g Sojaproteinisolat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf 100°C erhitzt
und für
12 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen Rückstands.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf fast 50°C abgekühlt. 52,216
g Zinkoxid wurden langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Zinkoxid gelöst
war, wurde das Reaktionsgemisch langsam auf 100°C erhitzt und 1 Stunde bei dieser
Temperatur gehalten. Das Gemisch wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. Das
Gemisch wurde zu 152,230 g eines Trägergemisches unter heftigem
Vermischen zugegeben, um ein homogenes, feuchtes Produkt zu ergeben.
Das Gemisch wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet.
Zinkgehalt
= 10,16%, Zink-Aminosäure-Komplex
= 9,39%, % gebunden = 92,39%.
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Beispiel 6
-
Hydrolyse eines Gemisches
von Sojaproteinisolat und Sojaproteinkonzentrat mit 6N Salzsäure
-
In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 213 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt
und auf 70–80°C erhitzt.
Ein Gemisch, das aus 80 g Sojaproteinisolat und 20 g Sojaproteinkonzentrat
bestand, wurde langsam unter heftigem Rühren zugegeben. Das Gemisch
wurde unter fortgesetztem Rühren
auf 100°C
erhitzt und für
12 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen Rückstands.
Das Gemisch wurde gekühlt
und durch einen gewogenen Filtertiegel filtriert. Der Filter wurde
mit destilliertem Wasser gewaschen und die Waschungen wurden in
dem gleichen Filterkolben gesammelt. Der Filter wurde getrocknet
und gewogen. Das Gewicht des Filtrats wurde bestimmt und der Aminosäure- und
Proteingehalt des Filtrats wurden bestimmt. Der Rückstand
wog 10,882 g, was sich auf 10,89% des zugegebenen Proteins belief.
Das Filtrat wog 382,574 g. Das Filtrat enthielt 0,7151 % Protein
und 17,028% Aminosäuren.
Dies entspricht 2,74% Protein und 65,18% Aminosäuren des ursprünglichen
Gewichts des verwendeten Sojaproteingemisches.
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Beispiel
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Herstellung von Zink-Aminosäure-Komplex
aus einem mit Salzsäure
hydrolysierten Gemisch von Sojaproteinisolat und Sojaproteinkonzentrat
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 213 ml 6N Salzsäure zugegeben.
Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt
und auf 70–80°C erhitzt.
Ein Gemisch, das aus 80 g Sojaproteinisolat und 20 g Sojaproteinkonzentrat
bestand, wurde langsam unter heftigem Rühren zugegeben. Das Gemisch
wurde unter fortgesetztem Rühren
auf 100°C
erhitzt und für
12 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der Feststoffe
verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines dunklen Rückstands.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf fast 50°C abgekühlt. 49,512
g Zinkoxid wurden langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Zinkoxid gelöst
war, wurde das Reaktionsgemisch langsam auf 100°C erhitzt und 1 Stunde bei dieser
Temperatur gehalten. Das Gemisch wurde auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Gemisch
wurde zu 146,596 g eines Trägergemisches
unter heftigem Vermischen zugegeben, um ein homogenes, feuchtes
Produkt zu ergeben. Das Gemisch wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet.
Zinkgehalt
= 11,19%, Zink-Aminosäure-Komplex
= 9,756%, % gebunden = 87,19%.
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Beispiel 8
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Berechnung der optimalen
Menge an Säure
und Metall, um die Menge an gebildetem Metall-Aminosäure-Komplex
zu maximieren, Proteinhydrolyse
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Federmehl
wurde als Proteinquelle in diesem Beispiel verwendet. Eine Probe
des Produkts wurde einer Gesamtaminosäureanalyse unterzogen und die
Ergebnisse sind in den mit "Proteinquelle" beschrifteten Spalten
in Tabelle 1 angegeben. In der ersten Spalte sind unter "Proteinquelle" die Konzentrationen
von Aminosäuren
in "g/100 g" Protein aufgelistet.
Die berechnete Konzentration in "mMol/100
g" ist in der zweiten
Spalte für
jede der Aminosäuren
angegeben. Die Gesamtkonzentration an Aminosäuren in dem Protein in g/100
g und mMol/100 g sind an der Unterseite der jeweiligen Spalte angegeben.
Auf der Basis von ausgedehnten Untersuchungen erhalten wir typischerweise
90% Wiedergewinnung der Aminosäuren
in dem Protein nach Säurehydrolyse.
Da festgestellt wurde, daß das
Protein 667,14 mMol Aminosäuren
pro 100 g Protein enthält, reicht
die Menge an nach der Hydrolyse wiedergewonnenen Aminosäuren aus,
um mit 600 mMol Zink zu reagieren, um Aminosäure-Komplexe zu bilden. Die
Menge an Säure,
die erforderlich ist, um das Metall aufzulösen, wäre 1200 mMol. Daher wurde das
Protein Hydrolyse mit 6N Salzsäure
(1,2 Mol Säure/100
g Protein) für 1
Stunde bei 140°C
unterzogen. Eine Probe der Aminosäurelösung wurde einer Analyse unterzogen
und die Ergebnisse sind in den mit "Säurehydrolysat" beschrifteten Spalten
angegeben. In der ersten Spalte unter "Säurehydrolysat" ist die Konzentration
an Aminosäuren
in "g/100 g" der Lösung angegeben.
Die berechnete Konzentration in "mMol/100
g" ist in der zweiten
Spalte angegeben. Da die exakte Menge an zur Säure zugegebenem Protein vor
der Hydrolyse bekannt ist, wird die Konzentration an Aminosäuren in
dem Säurehydrolysat,
die als g/100 g und mMol/100 g des ursprünglichen Proteins ausgedrückt wird,
berechnet und an der Unterseite der jeweiligen Spalte angegeben.
Die % Hydrolyse wird aus der Konzentration der Aminosäure, die in
der Proteinquelle vor der Hydrolyse zu finden ist, und der Konzentration
an Aminosäuren,
die in dem Säurehydrolysat
zu finden sind, berechnet. In diesem Beispiel wurden in dem Säurehydrolysat
87,09% der Aminosäuren,
ausgedrückt
als g/100 g des Proteins, wiedergewonnen. Wenn es als mMol/100 g
Protein ausgedrückt wird,
wurden 90,09% der Aminosäuren
im Protein im Säurehydrolysat
wiedergewonnen.
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Beispiel 9
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Herstellung von Zink-Aminosäure-Komplexen
aus dem Produkt der Salzsäurehydrolyse
von Federmehlprotein
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Eine
Probe von Federmehlprotein, die in Beispiel 7 getestet wurde, wurde
in einem großen
Maßstab einer
Hydrolyse mit 6N Salzsäure
gemäß der in
TABELLE 2 gezeigten Formel unterzogen. Die erforderliche Menge an
6N Salzsäure
wurde unter heftigem Rühren
auf 70°C
erhitzt. Das Federmehlprotein wurde unter fortgesetztem Erhitzen
und Rühren
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 1 Stunde auf 140°C erhitzt.
Das Reaktionsgemisch wurde gekühlt
und eine Probe der Flüssigkeit
wurde entnommen. 320 g Probe wurden auf etwa 70°C erhitzt und Zinkoxid (50,890
g) wurde langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Zinkoxid zugegeben war, wurde das Gemisch 1 Stunde auf 100°C erhitzt.
Die Flüssigkeit
wurde zu 200 g Träger
zugegeben und 24 Stunden bei 80°C
getrocknet.
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Eine
Probe des getrockneten Produkts wurde analysiert und es wurde festgestellt,
daß sie
folgendes enthält:
- 1) Wasserextrahierbares Zink = 10,13%
- 2) Zink-Aminosäure-Komplex
= 10,05%
- 3) Gesamte Aminosäuren
= 27,62%
- 4) Prozent an Metall, das als Aminosäurekomplex vorhanden ist =
99,28%
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Beispiel 10
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Herstellung von Kupfer-Aminosäure-Komplex
aus mit Schwefelsäure
hydrolysiertem Sojaproteinisolat
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In
einen 3-Hals-Rundkolben von 1 l, der mit einem Rückflußkühler, einem Zugabetrichter
und einem Thermometer ausgestattet war, wurden 229 ml 6N Schwefelsäure zugegeben,
die durch Zugeben von 64 g konzentrierter Schwefelsäure (93%)
zu 165 ml destilliertem Wasser hergestellt wurde. Die Flüssigkeit
wurde mit einem Magnetrührer
heftig gerührt
und auf 70–80°C erhitzt.
100 g Sojaproteinisolat wurden langsam unter heftigem Rühren zugegeben.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf 100°C erhitzt
und 24 Stunden bei dieser Temperatur gehalten. Die Mehrheit der
Feststoffe verschwand nach 1 Stunde Erhitzen unter Bildung eines
dunklen Rückstands.
Das Gemisch wurde unter fortgesetztem Rühren auf fast 50°C abgekühlt. 47,822
g Kupferoxid wurden langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben.
Nachdem das gesamte Kupferoxid gelöst war, wurde das Reaktionsgemisch
langsam auf ein sanftes Sieden erhitzt und 1 Stunde bei dieser Temperatur
gehalten. Das Gemisch wurde zu 157,196 g eines Trägergemisches
unter heftigem Vermischen zugegeben, um ein homogenes, feuchtes
Produkt zu ergeben. Das Gemisch wurde 24 Stunden bei 80°C getrocknet.
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Die
Probe wurde analysiert und es wurde festgestellt, daß sie folgendes
enthält:
- 1) Wasserextrahierbares Kupfer = 9,063%
- 2) Kupfer-Aminosäure-Komplex
= 8,97%
- 3) Prozent an als Kupfer-Aminosäure-Komplex vorliegendem Kupfer
= 99,01
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Beispiel 11
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Herstellung von Eisen(II)-Aminosäure-Komplexen
aus dem Produkt der Salzsäurehydrolyse
von Federmehlprotein
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Eine
Probe von Federmehlprotein, die in Beispiel 7 getestet wurde, wurde
einer Hydrolyse mit 6N Salzsäure
gemäß der in
TABELLE 3 gezeigten Formel unterzogen. Die erforderliche Menge an
6N Salzsäure
wurde unter heftigem Rühren
auf 70°C
erhitzt. Das Federmehlprotein wurde unter fortgesetztem Erhitzen
und Rühren
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 1 Stunde auf 140°C erhitzt.
Das Reaktionsgemisch wurde gekühlt
und eine Probe der Flüssigkeit
wurde entnommen. 322 g Probe wurden auf etwa 70°C erhitzt und Kalziumhydroxid
(44,978 g) wurde langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Kalziumhydroxid zugegeben war, wurde das Gemisch 1 Stunde
auf 70°C
erhitzt. Eisen(II)-Sulfat (167,090 g) wurde zugegeben und das Erhitzen
wurde unter Rühren
fortgesetzt. Ein schwerer Niederschlag bildete sich und setzte sich
am Boden ab, sobald das Rühren
gestoppt wurde. Das Gemisch wurde filtriert und der Niederschlag
wurde mit Wasser gewaschen und die Waschungen wurden zum ursprünglichen
Filtrat zugegeben. Das Gesamtgewicht des Filtrats und der Waschungen
betrug 509 g.
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Eine
Probe des flüssigen
Filtrats wurde analysiert und es wurde festgestellt, daß sie 6,59%
wasserextrahierbares Eisen(II) als Eisen-Aminosäure-Komplexe enthielt.
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Beispiel 12
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Massenproduktion von Zink-Aminosäure-Komplexen
aus dem Produkt der Salzsäurehydrolyse
von Federmehlprotein
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Eine
Probe von Federmehlprotein, die in Beispiel 7 getestet wurde, wurde
in einem großen
Maßstab einer
Hydrolyse mit 6N Salzsäure
gemäß der in
TABELLE 4 gezeigten Formel unterzogen. Die erforderliche Menge an
6N Salzsäure
wurde unter heftigem Rühren
auf 70°C
erhitzt. Das Federmehlprotein wurde unter fortgesetztem Erhitzen
und Rühren
zugegeben. Das Reaktionsgemisch wurde 1 Stunde auf 140°C erhitzt.
Das Reaktionsgemisch wurde gekühlt
und eine kleine Probe der Flüssigkeit
wurde zur Analyse und Verwendung in der Herstellung der Beispiele
9 und 11 entnommen. Das Reaktionsgemisch wurde auf etwa 70°C erhitzt
und Zinkoxid wurde langsam unter fortgesetztem Rühren zugegeben. Nachdem das
gesamte Zinkoxid zugegeben war, wurde das Gemisch 1 Stunde auf 100°C erhitzt.
Die Flüssigkeit
wurde zum Träger
im geeigneten Verhältnis,
wie für
einen optimalen Betrieb des Industrietrockners erforderlich, zugegeben.
Das Produkt wurde auf 5% Feuchtigkeitsgehalt getrocknet.
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Eine
Probe des getrockneten Produkts wurde analysiert und es wurde festgestellt,
daß sie
folgendes enthält:
- 1) Wasserextrahierbares Zink = 10,27%
- 2) Zink-Aminosäure-Komplex
= 9,65%
- 3) Gesamte Aminosäuren
= 23,03%
- 4) Prozent an als Aminosäurekomplex
vorliegendem Metall = 94,00%
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