DE69121749T2

DE69121749T2 - Verfahren zur Rückgewinnung wertvoller Stoffe aus Getreideabfällen

Info

Publication number: DE69121749T2
Application number: DE69121749T
Authority: DE
Inventors: Frank W Collins; David Paton
Original assignee: Canada Minister of Natural Resources; Agriculture and Agri Food Canada AAFC
Current assignee: Canada Minister of Natural Resources; Agriculture and Agri Food Canada AAFC
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1991-03-25
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2011-03-26
Also published as: CA2013190C; CA2013190A1; DE69121749D1; EP0449557A3; EP0449557A2; EP0449557B1; US5169660A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zum Aufbereiten von Getreidekörnern und zur Rückgewinnung von Kleie, Mehl und hochwertigen sekundären Produkten daraus. Die Verfahren sind besonders, jedoch nicht ausschließlich, nützlich für die Aufbereitung von Haferkörnern.
In CA-A-1 179 189 (entsprechend EP-A-0 088 498) wird ein Wasserweichverfahren zur Rückgewinnung von Kleie und eines Endosperm-Mehlanteils aus Haferkörnern beschrieben. Bei diesem Verfahren wird Hafer, der wegen seines Lipidgehalts und der allgemeinen Weichheit seines Korns nicht wie Mais- oder Weizenkörner trockenvermahlen werden kann, in Wasser geweicht, um das Endosperm zu verflüssigen. Das Getreide platzt dann, und aus dem flüssigen Endospermanteil wird ein Hafermehlprodukt rückgewonnen, und aus dem unlöslichen Anteil wird ein Kleieprodukt rückgewonnen. Die wäßrige Aufbereitung führt jedoch nicht zu besonders lagerfähigen Produkten, und es ist nunmehr festgestellt worden, daß die wäßrigen Kleie- und Mehlprodukte durch ein Extraktionsverfahren mit Alkohol raffiniert und stabilisiert werden können und einige weitere Produkte mit zusätzlichem Nutzen aus dem alkoholischen Extraktionsmittel durch Ionenaustauschverfahren rückgewonnen werden können. Der alkoholische Extraktionsprozeß kann außer bei Hafer auch bei Getreidekörnern wie Weizen und Roggen angewandt werden, aber Getreidekörner wie Gerste und Mais eignen sich für diese Art der Aufbereitung nicht besonders.
WO 89/01294 zeigt ein Verfahren zum Fraktionieren von Getreide, insbesondere Hafer, zu Fraktionen, die industriell oder als Nahrungsmittel brauchbar sind, indem Trockenvermahlen oder kombiniertes Trocken- und Naßvermahlen und Extraktion angewandt werden. Vor einem Trockenvermahlungsschritt wird das Protein durch Wärme- und/oder Lösungsmittelbehandlung denaturiert. Extrudierende und/oder schlagende, aber keine schneidenden Mahlverfahren werden in ein oder mehr Schritten für das Vermahlen angewandt, und/oder zur Extraktion von Lipiden werden polare Lösungsmittel bei einer Temperatur von 50 bis 90 ºC eingesetzt, und/oder Basenextraktion wird bei einer Temperatur von 50 bis 75 ºC angewandt, um Proteine und/oder beta-Glucane aufzulösen.
JP-A-61-171431 zeigt die Extraktion von Gluten (bevorzugt Weizengluten) aus einem Protein, das die Amylase im Pankreas und Speichel bei Menschen, Schweinen und Ratten hemmt. Das Verfahren umfaßt die Extraktion einer löslichen Komponente aus dem Gluten mittels eines Alkohols (bevorzugt mit Hilfe von wäßrigem Ethanol), gefolgt von einer fakultativen Gel- Filtration und Adsorption der Amylase-inhibierenden Komponente an Anionenaustauschmaterial, gefolgt von Eluieren des Proteinprodukts.
US-A-3 630 754 zeigt ein Verfahren zum Mahlen von Getreidekorn, z. B. Weizen, Mais, Roggen oder Sorghum bzw. Hirse, wobei das Korn einem primären gesteuerten Vermahlen in Anwesenheit eines nichtwäßrigen, Flüssigfett-extrahierenden Lösungsmittels unterzogen wird, um die Kleieschichtbestand teile von den Endospermkomponenten zu trennen und die Keimfraktionen von den Endospermkomponenten zu trennen, wobei die aus dem Mahlen gewonnenen Erzeugnisse einer Lösungsmittelextraktion und Trennschritten unterzogen werden, um ein Getreidekornöl sowie die faserigen, proteinhaltigen und stärkehaltigen Komponenten des Getreidekorns in den letzten Trennstufen zu ergeben.
Der Hauptanteil von faserigen Komponenten wird von den übrigen Komponenten nach dem primären Vermahlen, aber vor den letzten Trennstufen getrennt, der abgetrennte Anteil der faserigen Komponente wird abgedeckt, und die nichtgetrennten Komponenten werden in der letzten Trennstufe in die jeweilige Stärkekomponente, Proteinkomponente und den kleineren Anteil der Faserkomponente getrennt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Aufbereiten von Getreidekörnern mit wäßrigem Alkohol, um ein Mehl und andere Produkte mit zusätzlichem Nutzen zu erzeugen.
Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung eines Kleiepro dukts, das die Funktionalitäts-Charakteristik seiner β- Glucangummi-Komponente besitzt.
Noch eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von stabilen Kleie- und Mehlprodukten, die verbesserte Beständigkeit gegen Ranzigkeit haben.
Eine zusätzliche Aufgabe ist die Bereitstellung einer Ionenaustauschtechnik zur Aufbereitung von wäßrigen ethanolischen Behandlungslösungen, um daraus wertvolle Nebenprodukte rückzugewinnen.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein wäßriges alkoholisches Verfahren angegeben, um relativ reine Kleie- und Mehlprodukte aus vollem Getreidekorn ohne Mahlen zu erzeugen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
(a) Weichen der vollen Getreidekörner in Wasser für eine ausreichende Zeit, um ihren Endospermanteil im wesentlichen vollständig zu verflüssigen;
(b) Aufschließen des geweichten Korns in einer wäßrigen Ethanollösung, um das flüssige Endosperm freizusetzen, wobei eine Aufschlämmung aus Endosperm/Kleie und wäßrigem Ethanol gebildet wird;
(c) Screening der wäßrigen Ethanolaufschlämmung, um ein stabiles, unlösliches Kleieprodukt abzutrennen und rückzugewinnen;
(d) Trennen und Rückgewinnen eines stabilen, unlöslichen Mehls aus der abfiltrierten wäßrigen Ethanolaufschlämmung; und
(e) Rückgewinnen einer teilchenfreien wäßrigen Ethanollösung, die lösliche Getreidekorn-Nebenprodukte enthält.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein reines und stabiles Haferkleieprodukt bereitgestellt, das einen β- Glucananteil im Bereich von 16 bis 22 % (Gew.-%) hat und wobei das β-Glucan in einer leicht hydratisierbaren Form ist, so daß eine Dispersion des Kleie-Erzeugnisses in Wasser bei einem effektiven Pflanzengummianteil von 0,9 % einen Konsistenz-Koeffizienten von wenigstens 8,8 mPa.s hat.
Fig. 1 ist ein schematisches Flußdiagramm des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein teilweises Ablaufschema der Ionenaustausch-Trennung von wäßrigen ethanolischen Lösungen (anionischen und kationischen Fraktionen);
Fig. 3 ist ein teilweises Ablaufschema der Ionenaustausch-Trennung von ethanolischen wäßrigen Lösungen (neutralen Fraktionen); und
Fig. 4 ist ein teilweises Ablaufschema der Ionenaustausch-Trennung von ethanolischen wäßrigen Lösungen (starken und schwachen anionischen Fraktionen).
Hafer-, Weizen- und Roggenkörner können in Wasser geweicht werden, das ca. 0,1 % aktives Schwefeldioxid enthält, wie in dem genannten Dokument CA-A-1 179 189 beschrieben wird, aber anstatt das geweichte Korn nur zu quetschen oder aufzuschließen, hat es sich nunmehr als vorteilhaft erwiesen, das Korn mit Ethanol wie etwa 95 % Ethanol für einige Minuten in einem Inline-Aufquellgefäß (Fig. 1) aufzuschließen, um eine 183 % Ethanolkonzentration in der Aufschlämmung zu erhalten. Nach dem Aufschließen wird die wäßrige ethanolische Aufschlämmung aus Endosperm/Kleie über ein Filtersieb von 0,841 mm (20 mesh) geleitet, um eine grobe Kleiefraktion abzutrennen, die ein zweites Mal mit dem 83 % wäßrigen Ethanol aufgeschlossen und erneut gesiebt wird, um ein Produkt KLEIE #1 zu ergeben. Geringe Mengen Kleie und Mehl mit grobem Endosperm können auf Filtersieben von 0,105 mm (150 mesh) und 0,044 mm (325 mesh) rückgewonnen werden, und die Masse des von Kleie befreiten Endosperm-Mehls kann mit irgendeinem herkömmlichen Flüssig/Fest-Trennschritt aus der Flüssigkeit rückgewonnen werden, die durch das Filtersieb von 0,044 mm (325 mesh) geleitet wird, um ein nasses Mehlkuchenprodukt zu ergeben, das mit MEHL #1 bezeichnet ist. Die wäßrigen alkoholischen Flüssigkeiten der verschiedenen Filtersiebstufen, die nunmehr im wesentlichen frei von allem teilchenförmigen Material sind, können destilliert werden, um erneut einsetzbaren Alkohol rückzugewinnen, oder sie können weiter aufbereitet werden, um kleine Mengen an löslichen Betandteilen mit zusätzlichem Nutzen rückzugewinnen, wie nachstehend im einzelnen beschrieben wird.

Beispiel 1. HAFER

4,5 kg einwandfreies Saatgut der Sorte TIBOR (eine Nacktsorte) mit 11,2 % Feuchtigkeit wurden in 3 Gewichtsteilen Wasser, das 0,1 Gew.-% aktives 502 enthielt, gemäß dem Vorgehen von CA-A-1 179 189 geweicht. Das geweichte Saatgut (8,8 kg) wurde in 32,8 kg 95 % Ethanol (effektive Ethanolkonzentration 83 %) aufgeschlossen, indem die Aufschlämmung fünf Minuten durch ein Inline-Aufquellgefäß umgewälzt wurde (Fig. 1). Die Aufschlämmung wurde über einen Schwingsiebstapel geleitet, bestehend aus rostfreien Stahlsieben von 0,841 mm, 0,105 mm und 0,044 mm (20, 150 und 325 mesh): Die auf dem 0,841 mm-Filtersieb (20 mesh) zurückgehaltene unreine Grobkleiefraktion wurde ein zweites Mal in 3 Teilen von 83 % Ethanollösung aufgeschlossen, durch ein mit einem 0,841 mm- Filtersieb (20 mesh) ausgestattetes Motorsieb geleitet und dann in einem Luftstrom bei 80 ºC getrocknet. Die Ausbeute an primären Kleieflocken war 0,67 kg (dm) und ist als KLEIE #1 bezeichnet.
Eine zweite Kleiefraktion wurde von dem 0,105 mm-Filtersieb (150 mesh) des Schwingsiebstapels erhalten und luftgetrocknet und ergab 0,180 kg (dm) als KLEIE #2. Die auf dem 0,044 mm-Filtersieb (325 mesh) zurückgehaltene Fraktion erwies sich als grobes Endosperm-Mehl, das 0,3 kg (dm) als MEHL #3 ergab. Die durch das 0,841 mm-Filtersieb (325 mesh) des Stapels geleitete Flüssigkeit enthielt die große Masse des kleiefreien Endosperm-Mehls. Dies wurde einem geeigneten Flüssig/Fest-Trennschritt unterzogen, um einen Naßmehlkuchen zu ergeben, der 1,841 kg (dm) als MEHL #1 ergab.
Die Flüssigkeit, die durch das 0,841 mm-Motorsieb (20 mesh) filtriert wurde, wurde über ein Zweistufen-Schwingfiltersieb (0,105 mm und 0,044 mm [150 und 325 mesh]) geleitet, um geringere Mengen an Fraktionen (0,98 kg (dm) KLEIE #3 und 0,033 kg (dm) KLEIE #4) zu ergeben.
Die nunmehr von allen teilchenförmigen Substanzen freien wäßrigen alkoholischen Flüssigkeiten wurden vereinigt. Sie können entweder direkt destilliert werden, um wiedereinsetzbaren Alkohol rückzugewinnen, oder sie können weiter aufbereitet werden, um bestimmte lösliche Bestandteile sowie den Alkohol rückzugewinnen.
Die Massenbilanz zeigt, daß 87,9 Gew.-% des Ausgangs- Trockenmaterials der Hafergrütze durch dieses Verfahren rückgewonnen wurde. Die Feststoffverluste im Weichwasser wurden mit 2 bis 3 % geschätzt, und die in der wäßrigen alkoholischen Flüssigkeit löslichen Feststoffe liegen im Bereich von 9 bis 10 %.
Die Hauptfraktionen KLEIE #1 und MEHL #1 sind mikrobiell akzeptabel.
Tests auf Lipase-Aktivität, wobei die Komponenten unter Zugabe von Triolein (einem Triglycerid) unter kontrollierten gepufferten Bedingungen inkubiert wurden, ergaben keine weiteren Steigerungen des Grundpegels von freien Fettsäuren. Die Kleie- und Mehlprodukte waren über eine Lagerzeit von neun Monaten stabil.

Beispiel 2.

KLEIE #1 und MEHL #1 aus Beispiel 1 wurden wie folgt analysiert: TABELLE 1
Das Aufschließen von geweichtem Hafer in wäßrigem Alkohol bietet den zusätzlichen Vorteil, daß es bewirkt, daß die β- Glucangummikomponente der Subaleuronzellwände in der Kleie zurückgehalten wird. Es wird angenommen, daß während des Weichens dieser Gummi hydratisiert und bei Kontakt mit dem Alkohol dehydratisiert wird. Das hat die Auswirkung, daß die Kleie eine Art von "Instantisierung" des Gummis erfährt, so daß, wenn eine Pulverform der Kleie in Wasser dispergiert wird, der Brei sich rasch innerhalb von einer Stunde zu einer glatten viskosen Flüssigkeit verdickt. Derzeit enthalten industrielle Haferkleie-Präparate die β-Glucangummi komponente in dem Bereich von 8 bis 11 Gew.-%, d. h. ungefähr 50 % des Gummigehalts der in Alkohol aufgeschlossenen geweichten Kleie. Bei Dispergierung in Wasser mit einem solchen Feststoffanteil, daß der effektive Gummigehalt jedes Breis auf 0,9 Gew.-% normalisiert ist, zeigt sich, daß die Breie nach einer Stunde Rührens erheblich unterschiedliche Viskositäten oder Konsistenzen haben. Das ist in der Tabelle 2 verdeutlicht. Guar- und Xanthangummis, zwei allgemein verwendete industrielle Gummi-Hydrokolloide, werden zu Vergleichszwecken angegeben. Daher produziert in Alkohol aufgeschlossene geweichte Haferkleie eine Konsistenz und ein Fließverhalten, das eher ähnlich dem von Guargummi als dem von Xanthangummi ist. TABELLE 2
d Alle Verdicker in Wasser bei 22 ºC suspendiert, so daß der effektive Gummigehalt in jedem 0,90 Gew.-% ist.
US-A-4 028 468 lehrt die Isolation von β-Glucangummi aus einer Haferkleie durch Koextraktion des Gummis mit Protein, gefolgt von der Protein-Ausfällung. Der Gummi kann isoliert werden, indem ausreichend Alkohol zugesetzt wird, um ihn auszufällen. Dagegen zeigt die vorliegende Erfindung, daß es möglich ist, eine Haferkleiezubereitung herzustellen, die einen ausreichend hohen β-Glucangummigehalt hat, wobei der Gummi infolge der Aufschließens und Weichens in Alkohol "instantisiert" worden ist. Dieses Produkt ist ohne weiteres hydratisierbar und ergibt Breie, die die charakteristische Viskosität (Konsistenz) und das Fließverhalten des isolier ten Gummis zeigen. Die Vermeidung der Notwendigkeit, die Gummikomponente zu isolieren, bietet gewisse Einsparungen sowohl hinsichtlich der Investitionen als auch der Betriebskosten und führt zu einer Haferkleiezubereitung, die einen hohen Nahrungsfaseranteil, aber auch eine ganz spezielle, Viskosität aufbauende Funktionalität hat.

Beispiel 3. WEIZEN

4,5 kg einwandfreier Weizen der Sorte Hard Red Spring (10,2 % H&sub2;O) wurden ähnlich wie in Beispiel 1 verarbeitet. Es wurden vier Fraktionen auf die folgende Weise erhalten:
Das primäre Mehl (MEHL #1) = 1,07 kg (dm); eine Mehlfraktion, die auf dem 0,105 mm-Filtersieb (150 mesh) des Dreifach-Schwingsiebstapels zurückgehalten wurde (0,92 kg dm); eine Mehlfraktion, die auf dem 0,105 mm-Filtersieb (150 mesh) des Zweifach-Schwingsiebstapels zurückgehalten wurde (0,435 kg dm); und eine primäre Kleiefraktion von dem 0,841 mm-Motorsieb (20 mesh) (0,843 kg dm). Die Gesamtmaterialausbeute war 80 Gew.-% (dm). Verluste, die höher als erwartet waren, traten in Leitungen und Pumpenköpfen auf, da die Weizenfeststoffe dazu tendierten, sich aus der Suspension rasch abzusetzen, was die Demontage des Systems erforderlich machte, um Blockierungen zu beseitigen.
Der Proteingehalt jeder Fraktion ist in der Tabelle 3 angegeben. TABELLE 3
a bezogen auf (dm) Gesamtrückgewinnung aller Fraktionen
Daher sind erhebliche Proteinverlagerungen als Folge der Naßvermahlung von geweichten Weizenkörnern in wäßrigem Alkohol aufgetreten. Proteinverlagerungen sind früher von Wall et al. (7th Nat. conf. of Wheat Utilization Research, Kansas, 1971) beschrieben worden. Das Ausgangsmaterial war jedoch in einer Stiftmühle verarbeitetes Weizenmehl. Die Daten sind in der Tabelle 4 für ein Weizenmehl der Sorte Hard Red Spring angegeben. TABELLE 4 (Wall et al., 1971)

Beispiel 4. ROGGEN

4,5 kg einer Winterroggensorte (PUMA) (12,7 % H&sub2;O) wurden auf eine ähnliche Weise aufbereitet, wie das in Beispiel 1 beschrieben wird.
Es wurden vier Fraktionen wie folgt erzeugt: primäres Mehl (0,724 kg dm); Mehl von einem 0,105 mm-Filtersieb (150 mesh) eines Dreifachsiebstapels (0,838 kg dm); Mehl von einem 0,105 mm-Filtersieb (150 mesh) eines Doppelsiebstapels (0,264 kg dm) und Kleie (1,20 kg dm).
Die Mehle erschienen durch Feinkleie kontaminiert, und die Kleie war durch anhaftendes Mehl kontaminiert. Die Gesamtausbeute war 77,03 % dm. Ebenso wie bei Weizen führt die Dichte der Feststoffteilchen zu Betriebsproblemen beim Prozeß, was in Materialverlusten resultiert.
Die Beispiele 3 und 4 sind zwar nicht optimal, zeigen jedoch, daß das Naßvermahlen von Hafer in wäßrigem Alkohol auf andere Getreide wie Weizen und Roggen ausgedehnt werden kann. Es ist zu erwarte&sub1; daß Triticale, das zwar nicht getestet wurde, auf ähnliche Weise zu verarbeiten ist.
Die Anwendung des Verfahrens mit in Alkohol aufgeschlossenem geweichten Korn ist zwar mit Weizen und Roggen möglich, die Kleieprodukte der Beispiele 3 und 4 zeigen jedoch nicht die Funktionalität (Viskositätsaufbau), die die Haferkleie von Beispiel 1 zeigt.
Weizenkleie enthält keine hohen Anteile an β-Glucangummi, während Roggenkleie zwar diesen Bestandteil, aber auch erhebliche Mengen Roggenmehl enthält. Es ist auch möglich, daß innerhalb der Betriebsparameter der Erfindung die β- Glucane des Roggens nicht ebenso hydratisiert werden, wie das bei Hafer der Fall ist.
Die ethanolischen Ablauflösungen aus den obigen Behandlungen können, wie angegeben, destilliert werden, um wiedereinsetzbaren Alkohol direkt rückzugewinnen, oder sie können gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung durch den Einsatz von anionischen und/oder kationischen Ionenaustauschharzen weiter aufbereitet werden, um weitere untergeordnete, aber wirtschaftlich wertvolle Produkte rückzugewinnen. Die Weiterverarbeitung der wäßrigen ethanolischen Lösungen wird beispielhaft veranschaulicht, wobei es sich versteht, daß die alkoholischen Lösungen aus der Verarbeitung sämtlicher Getreidekörner, die den oben beschriebenen Verarbeitungsschritten unterzogen werden können, verwendet werden können.

Beispiel 5.

Vollnackthafer (Avena sativa L. Sorte TIBOR) wurde mit Ethanol:Wasser geweicht und zerkleinert, um verschiedene Feststoffe (Kleie, Mehl usw.) zu ergeben, und zwar durch das Verfahren von Beispiel 1 und einen Ablaufethanol: Wasserstrom. Die erzeugte Menge an Ablaufstrom war ungefähr 80 l je 4,5 kg Ausgangsgewicht des verarbeiteten Hafers. Die Zusammensetzung des Stroms war ungefähr 80 % Ethanol, enthaltend nicht mehr als 6,75 g/l Gesamtlösliches (≈12 % Ausgangsgewicht gelöst in 80 1: 0,12 x 4,5 x 10³ x 0,0125 g/l). Acht aufeinanderfolgende Weichvorgänge wurden ausgeführt, und die Ethylalkohol-Ablaufströme wurden vereinigt, um 640 l filtrierte Ethanollösung zu ergeben, die ungefähr 4,32 kg gelöste Feststoffe enthielt. Das Säulen-Rückgewinnungssystem (Fig. 2) bestand aus 16 l Bettvolumen Sephadex 25 Anionenaustauscher (quarternäre Aminoethanol-substituierte Dextranperlen in der Formiatform, voräquilibriert und in 80 % Ethanol gepackt). Der ethanolische Ablaufstrom wurde mittels Schwerkraftaufgabe durch die Säule geschickt (Mariotvorrichtung mit Konstantdruck; 3 m hydrostatischer Abfall; Durchflußmenge ungefähr 380 ml/min). Nachdem die gesamte Abflüssigkeit aufgegeben war, wurde die Zwischenraumflüssigkeit unter Einsatz von weiteren 35 l 80 % Ethanol verdrängt (ungefähre Durchlaufzeit für 675 l: 30 h). Dieser klare, hellgelbe Abfluß, der nachstehend als die NEUTRALE PLUS KATIONISCHE FRAKTION bezeichnet wird, wurde bei Raumtemperatur bis zur weiteren Verwendung aufbewahrt. Die KS 370- Säule wurde dann mit zwei Bettvolumen (32 l) des (frisch zubereiteten) Lösungsmittelsystems Ethanol : H&sub2;O :Ameisensäure (70:25:5, jeweils Vol.-%) eluiert, um eine klare, grüngelbe Lösung zu ergeben. Dieses Eluat, das nachstehend als die ANIONISCHE FRAKTION bezeichnet wird, wurde dann zu einem dicken grüngelben Sirup eingedampft, mehrfach in 3 l 80 % Ethanol resuspendiert und erneut eingedampft, um die letzten Spuren von Ameisensäure zu entfernen. Der letztlich erhaltene Sirup (≈150 ml) wurde in 2 l Isopropanol:Wasser (2:1 Vol./Vol.) dispergiert.
a) Analysen der ANIONISCHEN FRAKTION: Die quantitative und qualitative Näherungsanalyse wurde wie folgt durchgeführt: Die qualitative Analyse des Gemischs wurde durch verglei chende Dünnschicht-Chromatographie bzw. TLC mit geeigneten Standards und chromogenen Nachweisreagenzien entsprechend der Tabelle 5 durchgeführt. TABELLE 5 TABELLE 6 STRUKTUREN VON E-ISOMEREN VON HAFER-AVENANTHRAMIDEN

Beispiel 6.

Die NEUTRALE UND KATIONISCHE FRAKTION, die aus der 4,5-kg- Weiche von Beispiel 5 präpariert worden war, wurde weiter fraktioniert, indem der Prozeßstromablauf aus der Anionenaustauschsäule direkt durch eine Kationenaustauschsäule geschickt wurde, die aus Sephadex C-25 Kationenaustauscher bestand (Sulfopropyl-substituierte Dextrankügelchen in der Hydrogenform, voräquilibriert in 50 % Ethanol). Nachdem der gesamte Ablaufstrom durch die Säule geschickt worden war, wurde die Säule mit einem weiteren 2-Bett-Volumen von 50 % Ethanol gewaschen und mit dem Eluat kombiniert, um eine nichtabsorbierte Fraktion zu ergeben, die effektiv durch sowohl Anionen- als auch Kationenaustauscher geleitet worden war und nachstehend als die NEUTRALE FRAKTION (Fig. 3b) bezeichnet wird. Diese NEUTRALE FRAKTION wurde bei Raumtemperatur bis zur weiteren Analyse aufbewahrt. Die Säule wurde dann mit dem Lösungsmittel Ethanol:H&sub2;O:konz. NH&sub4;OH 50:45:5 (Vol./Vol./Vol.) unter Einsatz von Bettvolumen von Lösungsmittel eluiert. Das resultierende Eluat, das als die KATIONISCHE FRAKTION bezeichnet wird, wurde unter reduziertem Druck eingeengt und erneut suspendiert und zu einem rötlichbraunen Lack erneut eingedampft und in 50 % wäßrigem Isopropanol geldst.
a) Analyse der NEUTRALEN FRAKTION Qualitative Analysen der neutralen Fraktion wurden durchgeführt unter Anwendung der vergleichenden Dünnschicht-Chromatographie, und zwar mit geeigneten Standards und chromogenen Nachweisreagenzien. Nachdem das Ethanol aus der neutralen Fraktion rückgewonnen war (≈ 90 l 80 % Ethanol), wurde der verbleibende Sirup (hellgelbes, butterähnliches Öl) in 50 % wäßrigem Isopropanol aufgenommen und für die Analyse verwendet. TABELLE 7

Beispiel 7.

4,5 kg einwandfreier Hard Red Spring Weizen wurden ähnlich wie der Hafer der Beispiele 1 und 5 verarbeitet. Der Ethanol/Wasser- 80:20-Ablaufstrom wurde nach Filtration durch einen Tuchfilter (klare, hellgelbe Flüssigkeit) durch einen Anionenaustauscher geschickt, der aus Sephadex A-25 (QAE in Acetatform; voräquilibriert in 80 % Ethanol) (Bettvolumen 200 ml: 3 m hydrostatischer Druck; Durchflußmenge ≈80 ml/min; Gesamtvolumen Ablaufstrom 80 l; Gesamtzeit 16,7 h Betriebszeit) bestand. Das Eluat (klare hellgelbe Lösung), das als die NEUTRALE und KATIONISCHE FRAKTION bezeichnet wird, wurde für weitere Untersuchungen eingesetzt, und das Ethanol wurde rückgewonnen. Weitere 400 ml (2 Bettvolumen) 80 % Ethanollösungsmittel wurden durch die Säule geschickt, um die Zwischenraum-Ablaufflüssigkeit zu verdrängen, die dann mit der oben beschriebenen NEUTRALEN und KATIONISCHEN FRAKTION vereinigt wurde. Die von dem Gel eingefangenen Anionen wurden zuerst mit 800 ml (d. h. 4 Bettvolumen) des Lösungsmittels Ethanol:Wasser:Eisessigsäure (70:25:5) eluiert, um eine als die SCHWACHE ANIONENFRAKTION bezeichnete Fraktion zu ergeben. Diese Fraktion wurde unter reduziertem Druck eingedampft und ergab einen bernsteinfarbenen Sirup. Der Sirup wurde mehrfach mit 100 ml 80 % Ethanol resuspendiert und wieder eingedickt, um die letzten Spuren von Essigsäure zu entfernen, und der letzte Sirup wurde in Isopropanol:Wasser (67:33) aufgenommen. Die Säule wurde dann mit 800 ml (4 Bettvolumen) des Lösungsmittels Ethanol:Wasser:Ameisensäure (70:20:10) eluiert und ergab eine Fraktion, die als die STARKE ANIONENFRAKTION bezeichnet wird. Diese Fraktion wurde wie oben für die schwache Anionenfraktion beschrieben aufbereitet und ergab einen tiefblau-purpurnen Feststoff, der in Isopropanol:Wasser (67:33) solubilisiert wurde. Schließlich wurde die Säule entsprechend einer Modifikation der Betriebsanweisungen des Herstellers recycliert unter Einsatz von verdünnter alkohohscher HCl; verdünnter alkoholischer NH&sub4;OH und schließlich in der Acetatform unter Einsatz von verdünnter alkoholischer Essigsäure erneut äquilibriert. Der Fraktionierungs- und Recyclierungsvorgang ist in Fig. 4 zusammengefaßt.
a) Analysen der SCHWACHEN ANIONENFRAKTION Qualitative Analysen wurden wie nachstehend erläutert durchgeführt unter Anwendung von vergleichender TLC und Einsatz geeigneter Standards und chromogener Nachweisreagenzien, wie in der Tabelle 8 gezeigt ist. TABELLE 8
b) Analysen der STARKEN ANIONISCHEN FRAKTION Qualitative Analysen wurden wie nachstehend angegeben durchgeführt unter Anwendung von vergleichender TLC und Einsatz geeigneter Standards und chromogener Reagenzien (Tabelle 9). TABELLE 9

Beispiel 8.

Bei diesem Beispiel wurde der ethanolische Ablaufstrom aus der Aufarbeitung von Roggen durch das in den Beispielen 1 und 5 angegebene Verfahren auf 50 % Ethanol gegenüber 80 % Ethanol, das vorher eingesetzt worden war, verdünnt. Dieses Vorgehen diente einem zweifachen Zweck: Erstens ist die Anwesenheit von Alkylresorcinolen in Roggenextrakten&sub1; die mit nichtwäßrigen Lösungsmitteln (z. B. Chloroform, Aceton, 100 % Methanol, 100 % Ethanol) oder mit Extrakten, die relativ wenig Wasser enthalten (z. B. 90 %, 80 % niedere Alkohole), präpariert wurden, bekannt. Durch Verdünnen der 80 % auf 50 % Ethanol war zu erwarten, daß der größte Teil dieser lipophilen Verbindung ausgefällt werden würde. Zweitens würde das Beispiel der Aufarbeitung des Ablaufstroms in 50 % anstatt 80 % Ethanol die adaptive Brauchbarkeit des Ionenaustauschverfahrens an einen weiteren Bereich von Aufarbeitungsbedingungen weiter unterstreichen.
4,5 kg Winterroggen (Secale cereale L. CULT. PUMA) wurden wie vorher für Weizen und Hafer beschrieben aufbereitet und ergaben 80 l filtrierte 80 % Ethanol-Ablaufflüssigkeit. Die Ablaufflüssigkeit wurde mit ausreichend Wasser vermischt, um den Ethanolgehalt auf 50 % zu verringern, bevor die weitere Verarbeitung stattfand. Die Zugabe von Wasser zu dem 80 % Ethanol erzeugte ein flockiges Präzipitat, das durch Absitzen entfernt wurde. Nach Stehenlassen für 1 Woche wurde der klare Überstand durch sorgfältiges Dekantieren rückgewonnen. Der ausgefällte Schlamm (hellgelbbraun) wurde durch Filtration rückgewonnen, unter Vakuum getrocknet und separat analysiert. Der klare hellgelbe Überstand von 50 % Ethanol (d. h. der Ablaufstrom) wurde dann in dem folgenden Tandem- Ionenaustauschvorgang ähnlich demjenigen, der bei der in Beispiel 5 beschriebenen Haferaufbereitung angewandt wird, eingesetzt. Das Säulen-Rückgewinnungssystem bestand aus Sephadexr A-25- und C-25-Dextrangelen mit einem jeweiligen Bettvolumen von ungefähr 200 ml. Das A-25-Gel war in der Acetatform und das C-25-Gel in der Hydrogenionenform präpariert. Beide Gele wurden voräquilibriert und in 50 % Ethanol gepackt. Der ethanolische Ablaufstrom (ungefähr 128 l) wurde mittels Schwerkraftaufgabe (3 m hydrostatischer Abfall) durch die Anionenaustauschsäule und direkt durch die Kationenaustauschsäule geschickt. Die in den Säulen verbliebene Zwischenraumflüssigkeit nach Eintritt der gesamten Ablaufflüssigkeit wurde durch Waschen der Säulen mit einem weiteren 1,0 l 50 % Ethanol verdrängt. Der klare, hellgelbe Ablaufstrom aus den Tandemsäulen, der nachstehend als die NEUTRALE FRAKTION bezeichnet wird, wurde durch Rotationsverdampfung zu einem dicken hellgrün-gelben Sirup eingeengt. Das eingeschlossene Lösungsmittel wurde für die Lösungsmittelrückgewinnung des Ethanols durch Destillation (azeotropes Ethanol) zum Wiedereinsatz genutzt. Proben des Ablaufstroms, die in verschiedenen Phasen der Ionenaustauschvorgänge entnommen wurden, zeigten die nachstehenden pH-Werte: Anfangs-pH 7,0 vor der Behandlung; Ablaufstsrom nach Durchlauf durch den Anionenaustauscher: pH 6,3; Ablaufstrom nach weiterem Durchgang durch den Kationenaustauscher: pH 6,3; NEUTRALE FRAKTION nach Solubilisierung in 50 % Ethanol: pH 7,0.
Die Säulen wurden separat eluiert, um die ANIONISCHE FRAKTION (Säulen-Eluierung mit 4 Bettvolumen Ethanol:Wasser: Eisessigsäure 50:45:4) und die KATIONISCHE FRAKTION rückzugewinnen (Säuleneluierung mit Ethanol:Wasser:konz. NH&sub4;OH 50:45:5). Die einzelnen ANIONISCHEN und KATIONISCHEN FRAKTIONEN wurden zu bräunlichgelben Lacken unter verringertem Druck durch Rotationsverdampfen bei 40 ºC eingeengt. In beiden Fällen wurden die Rückstände mehrmals mit 300 ml 50 % Ethanol resuspendiert und wieder eingedampft, um die letzten Spuren entweder von Essigsäure (anionisch) oder Ammoniak (kationisch) zu entfernen. Die letzten Reste wurden in 50 % Isopropanol für weitere Analysen aufgenommen.
a) Analysen der ANIONISCHEN FRAKTION Die qualitative Analyse wurde durchgeführt unter Anwendung der in Beispiel 5 angegebenen Vorgehensweisen. Ein ähnliches Muster wie bei Weizen wurde beachtet. In dieser Fraktion wurden keine Avenanthramide nachgewiesen.
b) Analysen der KATIONISCHEN FRAKTION Die qualitative Analyse wurde unter Anwendung von Dünnschicht-Chromatographietechniken durchgeführt (Tabelle 10). TABELLE 10
c) Analyse der NEUTRALEN FRAKTION Die qualitative Analyse der Fraktion wurde unter Anwendung von Verfahren durchge führt, die für Hafer in Teil 1 von Beispiel 6(a) angegeben sind. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 11 zusammengefaßt. TABELLE 11
d) Analyse des präzipitierten Schlamms Der getrocknete gelbbraune Schlamm, der in den Ethanolablaufflüssigkeiten ausgefällt und durch Filtration rückgewonnen wurde, wurde in Isopropanol aufgenommen und der Analyse durch TLC unterzogen (Umkehrphase C&sub1;&sub8;-Schichten; Lösungsmittel: Aceton:Methanol: Wasser 50:35:15, Nachweis durch chromogene Vanillin-Schwefelsäure-Reagens-Resorcinole; außerdem Analyse durch HPLC, GC und Massenspektroskopie). Es wurde gefunden, daß der Schlamm ein komplexes Gemisch aus 5-n-Alkyl-, 5-n-Alkenyl-, 5-n-Alkyldien- und 5-n-Alkyltrienresorcinolen enthielt: eine Doppelbindung zwei Doppelbindungen
Die kationische Fraktion von Beispiel 6 wurde weiter analysiert, und es zeigte sich, daß sie eine kleinere Gruppe von Arylamin-Derivaten enthielt, die hier als Phenamine beschrieben werden und aus einer Serie von Glycosiden von 2- Aminophenol bestehen. Die Glycoside bestehen aus ein oder mehr Glucoseanteilen, die durch β-glycosidische Kopplung an die phenolische Hydroxylfunktion angelagert sind. Außerdem scheinen einige Phenamine sowohl Galactose als auch Glucose zu enthalten. Sie sind ohne weiteres auf nichtenzymatische Weise mit schwacher Säure und enzymatisch mit β-Glucosidasen (Mandel, Hefe, bakteriell) zu hydrolysieren und ergeben den Zucker und das instabile Aglycon-2-aminophenol. Dieses Aglycon oxidiert spontan in Luft und ergibt das Dimere 2- Aminophenoxazin-3-on. Die Phenamine sind nicht auf Roggen beschränkt und in einer Reihe von anderen einkeimblättrigen Getreidekörnern aufgrund der freien Arylaminfunktion nachgewiesen worden. Unter Anwendung von histochemischen Techniken an Kornquerschnitten sind die Phenamine in Hafer, Weizen, Gerste, Roggen und Mais nachgewiesen worden und scheinen in den Aleuronzellen spezifisch lokalisiert zu sein. Bis vor kurzem waren die exakten Strukturen dieser Phenamine und ihre spontane Dimerisation zu 2-Aminophenoxazin-3-on nach der Hydrolyse unbekannt. Dieses dimere Aglycon scheint in unbeschädigten Körnern nicht anwesend zu sein, kann aber in gebrochenen oder beschädigten Körnern vermutlich durch die Wirkung von endogenen β-Glycohydrolasen leicht produzierbar sein. Wegen ihrer spezifischen Lokalisierung nur in der Aleuronzelle ist der Gehalt in vollen Körnern und Vollkommehlen gering, aber in Mühlenfraktionen wie Kleie oder mit Kleie angereicherten Vermahlungsströmen kann die Konzentration bis zu 0,1 % Trockengewicht betragen. Bisher sind keine Untersuchungen der biologischen Aktivität der natürlich auftretenden Glycoside durchgeführt worden, aber das dimere Aglycon-2-aminophenoxazin-3-on ist ein wohlbekanntes Antibiotikum, das erstmals aus Streptomyces spp. isoliert wurde und als Questiomycin A auf dem Markt ist. Eine Vor-Auswertung von 2-Aminophenoxazin-3-on aus hydrolysierten Phenaminen in Verbindung mit der Fütterung von Wiederkäuern hat einige beachtliche Eigenschaften und potentielle Anwendungsmöglichkeiten aufgezeigt.
Die Tatsache, daß 2-Aminophenoxazin-3-on, das aus den in Getreiden gefundenen o-Aminophenoxyglycosiden erzeugt wird, anscheinend spezifisch wirksam ist, um das Wachstum von zellulolytischen anaeroben Bakterien, die ihren Ursprung im Pansen haben, zu hemmen, während sie gleichzeitig keine sichtbare Auswirkung auf nicht-zellulolytische Spezies aus derselben Umgebung haben, hat eine Reihe von für die Praxis bedeutsamen Folgerungen:
1. Die Verbindungen können bei der wohlbekannten Tendenz von Getreiden eine Rolle spielen, den Aufschluß von Fasern bei Wiederkäuern zu hemmen. In diesem Fall wäre die Entwicklung von Antagonisten oder von Getreiden mit geringeren Gehalten an o-Aminophenoxyglycosiden ökonomisch sinnvoll. Dieselbe Verbindung könnte eine bedeutende Rolle bei der Verlangsamung von industriellen Fermentierungen auf der Basis von Zellstoffsubstraten spielen, und in diesem Fall hätte der Einsatz von Antagonisten oder die Entfernung der Verbindung aus dem Gärungs-Einsatzmaterial große wirtschaftliche Bedeutung.
2. Der Mechanismus, nach dem 2-Aminophenoxazin-3-on zellulolytische Pansenbakterien hemmt, ist zwar unbekannt, wenn es sich aber zeigt, daß die Hemmung von Zellulolytika eine allgemeine Erscheinung ist, wäre die Verbindung in großem Umfang bei der Verhinderung von Celluloseabbau sowohl in natürlichen Umgebungen (d. h. als Holzkonservierungsmittel) und in gewerblichen Prozessen, speziell solchen auf der Basis der biologischen Zersetzung von Xylanen, Halbcellulosen usw. für die Erzeugung von Papieren und anderen Faserprodukten hoher Güte anwendbar. In diesen Fällen besteht das Hauptproblem des Verfahrens im Verhindern des Wachstums von zellulolytischen Organismen, während gleichzeitig das Wachstum von Organismen gefördert wird, die andere Polysaccharide abbauen, und die Spezifität von 2- Aminophenoxazin-3-on ist zur Lösung dieses Problems einmalig.
Von den in der Tabelle 6 beschriebenen Avenanthramiden wird angenommen, daß sie eine Gruppe von mehr als 50 Mitgliedern (einschließlich der Isomeren) von Alkabiden repräsentieren, die in Hafergetreide, jedoch nicht in Weizen, Gerste oder Roggen anwesend sind. Die Avenanthramide bestehen aus konjugierten Formen der Aminophenolsäuren, Anthranil-, 5- Hydroxyanthranil-, 4-Hydroxyanthranil- und vermutlich 5- Hydroxy-4-methoxyanthranilsäure. Die konjugierten Formen enthalten verschiedene Hydroxy/Methoxy-substituierte Cinnamon- oder Phenylpentadienoesäuren, die über "Pseudopeptid"-Kopplung an die Aminfunktion des Aminophenolanteils gekoppelt sind. Sie sind im Haferspelz und Hafergrütze anwesend und scheinen in den peripheren Bereichen des Korns konzentriert zu sein. Bei der Aufbereitung von Hafer- Ablaufströmen sind sie in dem Ablaufstrom in geringer Konzentration anwesend, können aber in dem Anionenaustausch Rückgewinnungssystem leicht entfernt werden. Auf der Basis dieser Extraktionsbedingungen (die nicht optimiert sind) ist der Gehalt ungefähr 2,2 g in 36 kg Vollhafer (0,06 %), ausgedrückt als Avenanthramid-A-Äquivalente.
Untersuchungen der biologischen Aktivität von Avenanthramiden zeigen, daß sie in wirksamen Antihistaminika, Antiallergika und Antiasthmatika und als ein Lipoxygenase-Hemmer in vitro eingesetzt werden können (JP-Patent 60-152 454; 1986). Bisher war jedoch nicht bekannt, daß irgendwelche dieser Verbindungen in der Natur vorkommen. Von den Cyclodehydratationsprodukten, den Avenaluminen, ist gezeigt worden, daß sie wirksame antimykotische Eigenschaften besitzen. Auch hier wurde bisher das Vorkommen der Avenanthramide nicht erwähnt, es ist jedoch nunmehr gezeigt worden, daß die Avenalumine bei Kontakt mit Wasser tatsächlich rasch hydrolysiert werden, um die entsprechenden Avenanthramide zu produzieren, und daß die biologische Wirksamkeit sehr wahrscheinlich auf das Avenanthramid und nicht auf das Avenalumin-Analogon zurückgeht.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen von reinen und stabilen Kleie- und Mehlerzeugnissen aus ganzen Getreidekörnern ohne Mahlen, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:

(a) Weichen der ganzen Getreidekörner in Wasser für eine ausreichende Dauer, um ihren Endospermanteil zu verflüssigen;

gekennzeichnet durch:

(b) Aufschließen des geweichten Korns in einer wäßrigen Ethanollösung, um das flüssige Endosperm freizusetzen, wobei eine Aufschlämmung aus Endosperm/Kleie und wäßrigem Ethanol gebildet wird;

(c) Abfiltrieren der wäßrigen Ethanolaufschlämmung, um ein stabiles, unlösliches Kleieprodukt abzutrennen und rückzugewinnen;

(d) Trennen und Rückgewinnen eines stabilen, unlöslichen Mehls aus der abfiltrierten wäßrigen Ethanolaufschlämmung; und

(e) Rückgewinnen einer teilchenfreien wäßrigen Ethanollösung, die lösliche Getreidekorn-Nebenprodukte enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Getreide aus Hafer, Weizen und Roggen ausgewählt sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Leiten der teilchenfreien wäßrigen Ethanollösung durch eine Anionenaustauschsäule, Rückgewinnen eines Abflusses einer kationischen Fraktion, Eluieren einer anionischen Fraktion aus der Säule, und Rückgewinnen von Nebenprodukten aus dem Abfluß der kationischen Fraktion und dem anionischen Fraktionseluat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch Leiten des kationischen Abflusses durch eine kationische Austauschsäule, Rückgewinnen eines Abflusses einer neutralen Fraktion, Eluieren einer kationischen Fraktion aus der Säule, und Rückgewinnen von Nebenprodukten aus dem Abfluß der kationischen Fraktion und dem kationischen Eluat.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Eluat der anionischen Fraktion rückgewonnenen Nebenprodukte Phenolsäuren, Alkabide, Avenan thramide, Fettsäuren, Äpfel- und Citronensäure, Aminosäuren umfassen.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Abfluß der kationischen Fraktion rück gewonnenen Nebenprodukte freie Zucker, Phenole, Triterpen-Glykoside, Avenacin A, Avenacin A-1, Avenacin B, Avenacin B-1 und Lipide umfassen.

7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem kationischen Eluat rückgewonnenen Nebenprodukte freie Zucker, Phenole, Aminosäuren und Lipide umfassen.

8. Reines und stabiles Haferkleie-Erzeugnis, das einen β- Glucananteil im Bereich von 16 bis 22 % (Gew.-%) hat und wobei das β-Glucan in einer leicht hydratisierbaren Form ist, so daß eine Dispersion des Kleie- Erzeugnisses in Wasser bei einem effektiven Pflanzengummianteil von 0,9 % einen Konsistenz-Koeffizienten von wenigstens 8,8 mPa.s hat.