DE69905793T2

DE69905793T2 - Verfahren zur Herstellung von Kristallin-Maltulose-Monohydrat

Info

Publication number: DE69905793T2
Application number: DE69905793T
Authority: DE
Inventors: Catherine Fouache; Jean-Christophe Choque
Original assignee: Roquette Freres SA
Current assignee: Roquette Freres SA
Priority date: 1998-05-12
Filing date: 1999-05-10
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2019-05-11
Also published as: CA2271319A1; EP0957106A1; DK0957106T3; US6048976A; ATE234317T1; JPH11335389A; DE69905793D1; EP0957106B1; FR2778664B1; ES2193671T3; FR2778664A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Maltulose-Monohydrat-Kristallen durch Kristallisation von Maltulose in wässriger Lösung.
Maltulose (4-O-α-D-glucopyranosyl-D-fructose) ist kein in der Natur weit verbreitetes Produkt. Man findet sie jedoch im Honig, in dem sie während der Hydrolyse der Saccharose durch Transglucosylierung durch die D-Glucosidasen synthetisiert wird, und auch in Hefen, in denen sie durch einen vergleichbaren enzymatischen Mechanismus erzeugt wird. Maltulose wird auch in Waxymais-Stärkehydrolysaten und in den α-Amylolyse-Hydrolysaten des Rattenleber-Glykogens festgestellt.
Maltulose besitzt ein starkes Süßungsvermögen, das so stark wie das von Maltit ist, schwächer als das von Saccharose, aber stärker als das von Dextrose und Maltose ist. Maltulose wird in Form von Sirups in der Nahrungsmittel- und Pharmaindustrie und als Ausgangsmaterial von verschiedenen industriellen Synthesen verwendet.
Die industrielle Herstellung von Maltulosesirup beruht auf der Isomerisierung von Maltosesirup in alkalischem Medium (HOUGH et al., 1953, J. Chem. Soc., Part II; 2005; ROBERTS et al., Biochem. J., 1952, 51, XVII). Zur Illustrierung eines solchen Verfahrens kann man die Arbeiten von HODGE et al. (Cereal Science Today, 1972, 17, 180) nennen, die die Herstellung von Maltulosesirup durch chemische Isomerisation eines Maltosesirups in Gegenwart von Natriumaluminat mit Umwandlungsausbeuten von etwa 95% beschreiben.
Verfahren, die die Herstellung von Maltulosesirups durch Isomerisation von mit Maltose angereicherten Stärkehydro lysaten gestatten, werden ferner in den Patenten FR 2 055 645 und Re. 30 820 beschrieben.
Was die Herstellung von reinen Maltulosekristallen aus diesen Sirups anlangt, so sind zwei Verfahren bekannt:

– das Verfahren, das von HOUGH et al. in J. Chem. Soc., 1953, Part II, 2005, beschrieben wird, das die Kristallisation von Maltulose-Monohydrat in der Mischung Dioxan-Methanol betrifft, was zu einer Verbindung mit dem Schmelzpunkt (mp) zwischen 113 und 115°C führt;
– das Verfahren, das von PFEFFER und HICKS in Carb. Research, 1983, 111, 181, beschrieben wird, die die Kristallisation von Maltulose-Monohydrat in Aceton beschreiben. Die Kristalle, mit Aceton gewaschen und an der Luft getrocknet, besitzen einen mp von 116,5 bis 118°C.

Aus dem Stand der Technik geht also klar hervor, daß die Verfahren zur Kristallisation von Maltulose die Verwendung von toxischen oder entflammbaren organischen Lösungsmitteln (Dioxan-Methanol, Aceton) zur Herstellung der Maltulosekristalle erfordern. Die Verwendung solcher Lösungsmittel bringt jedoch eine gewisse Gefahr für die damit hantierenden Personen und auch für die Umwelt mit sich.
Vor allem machen diese Verfahren eine starke Reinigung der kristallisierten Maltulose erforderlich, um alle Spuren von organischen Lösungsmitteln zu entfernen. Diese Lösungsmittelspuren würden im Rahmen der Verwendung von Maltulose im Nahrungsmittel- und Pharmabereich mit Sicherheit eine Toxizität besitzen.
Die oben beschriebenen Verfahren sind deshalb nicht befriedigend, da sie den Nachteil haben, keine einfache Methode zur Herstellung von Maltulosekristallen ohne Spuren von toxischen Verbindungen, die sich aus dem Kristallisationsschritt ergeben, bieten zu können. Infolgedessen kann die nach den bekannten Verfahren erhältliche kristallisierte Maltulose nicht direkt in pharmazeutischen Anwendungen, beispielsweise zur Herstellung von Pulvern oder Tabletten, verwendet werden.
Ziel der Erfindung ist es deshalb, diesem Zustand abzuhelfen und ein Verfahren vorzuschlagen, das besser als die bereits bestehenden die verschiedenen Anforderungen der Praxis erfüllen kann.
Der Anmelderin gelang es, ein industrielles Verfahren zu schaffen, das die Herstellung von kristallisierter Maltulose aus einer wässrigen Lösung gestattet, die damit frei von allen toxischen Verbindungen ist.
Dadurch hat die Anmelderin ein technisches Vorurteil widerlegt, das gegen ein solches Verfahren bestand, das die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel vorsieht, denn es wurde noch nie nahegelegt, daß man Maltulose direkt und leicht in Wasser kristallisieren kann, und erst recht nicht, daß man daraus die auf diese Weise gebildeten Kristalle isolieren kann.
Vielmehr haben die Fachleute dieses Gebiets auf Grund der starken Löslichkeit von Maltulose in Wasser geschlossen, daß die Kristallisation von Maltulose aus einer wässrigen Lösung industriell schwer zu realisieren ist. So wird in dem Patent HAYASHIBARA (FR 2 055 645) erwähnt, daß Maltulose sehr wasserlöslich ist, und außerdem wird ausgeführt, daß Maltulosesirups selbst in sehr konzentrierten Lösungen bei normaler Temperatur schwer kristallisierbar sind. Unter den in diesem Patent beschriebenen Bedingungen kristallisiert die Maltulose, wenn sie kristallisiert, in Form von Partikeln, die so klein und so schlecht geformt sind, daß sie auf jeden Fall vom Sirup nicht abtrennbar sind.
Diese Kristallisation bringt in der Tat eine gewisse Anzahl von technischen Schwierigkeiten mit sich, die die Anmelderin nach langen Forschungen gelöst hat.
Gegenstand der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Maltulosekristallen ohne die oben genannten Nachteile.
Das Verfahren zur Herstellung von kristallinem Maltulose-Monohydrat ist dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

– Herstellung einer wässrigen Maltuloselösung mit einem Gehalt von mehr als 65 Gew.-%,
– Konzentration der wässrigen Maltuloselösung auf eine Trockenmasse von über 50 Gew.-% und bei einer solchen Temperatur, daß der Grad der Übersättigung mit Maltulose kleiner als 1 ist,
– Abkühlung der konzentrierten Lösung so, daß der Grad der Übersättigung mit Maltulose auf einen Wert größer als 1 gebracht wird,
– Kristallisation der Maltulose in dieser übersättigten Lösung, indem diese unter Rühren mit gesteuerter Geschwindigkeit gekühlt wird, und
– Abtrennung, Gewinnung und Trocknung der auf diese Weise erhaltenen Maltulose-Monohydrat-Kristalle.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist also einen ersten Schritt der Herstellung einer wässrigen Maltuloselösung mit einem Gehalt über 65 Gew.-% auf. Die reichsten Lösungen ergeben natürlich die besten Kristallisationsausbeuten.
Die Anreicherung der Lösung mit Maltulose kann mit jeder beliebigen an sich bekannten Methode vorgenommen werden, wie zum Beispiel mit chromatographischen Methoden. Diese Anreicherung wird vorzugsweise so durchgeführt, daß man einen Maltulosegehalt über 85 Gew.-% erhält, und noch bevorzugter zwischen 85 und 97 Gew.-%.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die wässrige Maltulose durch Isomerisation eines an Maltose reichen Sirups unter alkalischen Bedingungen hergestellt.
Beispielsweise wird die Isomerisation eines an Maltose reichen Sirups durch Zusatz von Borsäure in mindestens äquimolarer Menge vorgenommen. Der pH-Wert wird dabei auf einen Wert über 10, vorzugsweise nahe 11, eingestellt. Die Isomerisation wird dann bei einer Temperatur von etwa 50°C während einer Zeit von 4 bis 5 Stunden durchgeführt. Nach dieser Isomerisationsreaktion ist die Ausbeute der Umwandlung von Maltose in Maltulose höher als 80%.
Die auf diese Weise erhaltene Maltuloselösung wird dann auf eine Temperatur von etwa 30°C gekühlt und ihr pH-Wert wird durch Zusatz von Salzsäure auf 2 eingestellt.
Dann entfernt man die Rest-Borsäure. Man nimmt vorzugsweise mehrere Kristallisationen der Borsäure vor. Beispielsweise gestatten zwei Kristallisationen die Entfernung von etwa 80% der Anfangs-Borsäure.
Dann nimmt man an dieser Maltuloselösung eine Molekularsiebung vor. Dieser Schritt der Molekularsiebung kann beispielsweise in einem chromatographischen Trennschritt oder in einem Schritt der Trennung über Membranen bestehen.
Der chromatographische Schritt findet auf an sich bekannte Weise diskontinuierlich oder kontinuierlich (simuliertes bewegliches Bett), auf Adsorbanzien vom Typ starke cationische Harze mit Hilfe von Alkali- oder Erdalkali-Ionen statt, wie Calcium oder Magnesium, bevorzugter jedoch mit Hilfe von Natrium-Ionen, deren Träger aus 4%igem Divinylbenzyliden besteht. Die auf diese Weise erhaltene Maltuloselösung wird dann entmineralisiert.
Der zweite Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß diese wässrige Maltulose-Lösung konzentriert wird, um eine Lösung zu erhalten, deren Trockenmassegehalt mehr als 50 Gew.-% beträgt, und zwar bei einer solchen Temperatur, daß der Grad der Übersättigung mit Maltulose kleiner als 1 ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besitzt die am Ende des zweiten Schritts des Verfahrens erhaltene Maltuloselösung einen Trockenmassegehalt zwischen 65 und 75 Gew.-%. Dieser Gehalt kann umso niedriger sein, je höher der Maltulosegehalt der Lösung ist.
Dieser Konzentrationsschritt wird auf an sich bekannte Weise durchgeführt, beispielsweise durch Abdampfen des Wassers unter Unterdruck bei einer Temperatur über 60°C, so daß man eine konzentrierte Lösung erhält, deren Grad der Übersättigung mit Maltulose kleiner als 1 ist.
Ein wichtiges Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, daß man am Ende dieses zweiten Schritts eine bezüglich Maltulose konzentrierte wässrige Lösung mit einer solchen Temperatur erhält, daß ihr Grad der Übersättigung mit Maltulose von einem Wert unter 1 ist. Diese Temperatur liegt bei wässrigen Maltuloselösungen mit einem Maltulosegehalt über 65 Gew.-% und einem Trockenmassegehalt über 50 Gew.-% vorzugsweise zwischen 60°C und 80°C.
Der dritte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, daß diese Lösung so gekühlt wird, daß der Grad der Übersättigung mit Maltulose auf einen Wert über 1 gebracht wird.
Ein Grad der Übersättigung mit Maltulose, der etwas höher als 1 ist, und zwar zwischen 1 und 1,2 und bevorzugter zwischen 1,05 und 1,15 liegt, wird erreicht, indem man die konzentrierte wässrige Maltuloselösung, die man nach dem zweiten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält, auf einen Wert kühlt, der von ihrem Anfangs-Maltulosegehalt und von ihrem Trockenmassegehalt abhängig ist.
Wässrige Maltuloselösungen mit einem Maltulosegehalt über 65 Gew.-% und einem Trockenmassegehalt über 50 Gew.-% kühlt man beispielsweise auf Temperaturen, die im allgemeinen 20°C bis 50°C betragen.
Insbesondere kühlt man wässrige Maltuloselösungen mit einem Maltulosegehalt zwischen 85 und 97 Gew.-% und einem Trockenmassegehalt zwischen 65 und 75 Gew.-% auf Temperaturen zwischen 25°C und 35°C.
Der vierte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht nun darin, daß die Maltulose in dieser übersättigten wässrigen Lösung kristallisiert wird, indem sie unter Rühren mit gesteuerter Geschwindigkeit gekühlt wird.
Die weiteren Forschungen der Anmelderin über die Kristallisation von Maltulose in Wasser haben nämlich gezeigt, daß die anderen Kristallisationsverfahren, die darin bestehen, daß man den Grad der Übersättigung mit Maltulose durch andere Techniken als die Temperatursenkung ändert, beispielsweise durch Abdampfen des Wassers, wie es bei einem Verdampfungs-Kristallisationsverfahren vorgenommen wird, nicht ganz befriedigend sind.
Die Anmelderin konnte nachweisen, daß die Löslichkeit der Maltulose mit der Senkung der Temperatur beträchtlich abnimmt und daß der Grad der Übersättigung mit Maltulose sich auf einem Wert über 1 hält, wenn man die am Ende des dritten Schritts erhaltene wässrige Maltuloselösung langsam kühlt.
Der vierte Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann durch die Bildung von Kristallisationskeimen initiiert werden, die man durch Selbstnukleation oder durch Beimpfung der wässrigen Maltuloselösung erhält.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung senkt man die Temperatur der nach dem dritten Schritt erhaltenen wässrigen Maltuloselösung und bewirkt eine Selbstnukleation durch Scheren der Lösung.
Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung senkt man die Temperatur der nach dem dritten Schritt erhaltenen wässrigen Maltuloselösung und beimpft sie mit Maltulosekristallen.
Es ist dem Fachmann allgemein bekannt, daß die Wachstumsgeschwindigkeit und die Größe der erhaltenen Kristalle mit der Geschwindigkeit der Temperatursenkung beträchtlich variieren können.
Aufgrund der von der Anmelderin durchgeführten Forschungen wurde ein Temperatursenkungsprofil erstellt, das das Wachstum der Maltulosekristalle auf vollkommen befriedigende Weise bewirkt.
Diese Maltuloselösung wird allgemein von einer Temperatur von höchstens gleich 50°C, vorzugsweise von einer Temperatur zwischen 25°C und 35°C, in einem Zeitraum von mindestens 15 Stunden auf eine Temperatur von höchstens 10°C gekühlt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Maltuloselösung mit einem Maltulosegehalt über 90 Gew.-% und einem Trockenmassegehalt über 65 Gew.-% beispielsweise in weniger als 26 Stunden von 33°C auf 25°C gebracht oder es wird eine Maltuloselösung mit einem Maltulosegehalt über 70 Gew.-% und einem Trockenmassegehalt über 50 Gew.-% in weniger als 24 Stunden von 25°C auf 15°C gebracht.
Dieser Schritt der Kristallisation der Maltulose kann kontinuierlich oder diskontinuierlich beispielsweise in Behältern vom Typ Kristallisatoren (Horizontalmischer), die durch einen doppelten Mantel gekühlt werden, durchgeführt werden. Die wässrige Maltuloselösung wird vorzugsweise in einen Behälter vom Typ Kristallisator unter Rühren geschüttet, in dem die Kühlung durch Wasserumlauf in der doppelten Wand vorgenommen wird.
Die Maltulose-Monohydrat-Kristalle werden dann durch jede beliebige dem Fachmann an sich bekannte Methode gesammelt, und zwar beispielsweise durch Schleudern oder Filtrieren der kristallisierten Maltuloselösung.
Die Kristalle werden dann vorzugsweise durch Kläre mit Wasser oder ggf. mit etwas Ethanol gereinigt, dann bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der kristallisierten Maltulose, vorzugsweise bei einer Temperatur unter 80°C, durch jede beliebige an sich bekannte Methode, beispielsweise im Ofen oder auf Wirbelbett, getrocknet.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet die Herstellung von Kristallen mit einer Größe von im allgemeinen mehr als 5 μm, vorzugsweise zwischen 10 μm und 100 μm, und mit einem Gehalt über 90% und vorzugsweise über 95%.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von nicht begrenzenden Beispielen.
Beispiel 1.
Kristallisation einer wässrigen Maltuloselösung mit einem Gehalt von 95 Gew.-%.
Eine 87%ige Maltoselösung wird mit einer äquimolaren Menge Bohrsäure gemischt und der pH-Wert der gebildeten Lösung wird durch Zusatz von Soda auf 11 eingestellt. Die Isomerisation von Maltose zu Maltulose wird dann durch Erhitzen der Lösung auf 50°C während 4 Stunden durchgeführt. Die Lösung wird schließlich auf 30°C gekühlt und ihr pH-Wert wird durch Zusatz von Salzsäure auf 2 eingestellt.
Nach dieser Reaktion beträgt die Ausbeute der Isomerisation von Maltose zu Maltulose 86%.
Zwei Kristallisationen gewährleisten die Entfernung von 80% der Anfangs-Borsäure. Die Maltuloselösung wird dann durch Chromatographie auf starkem cationischem Harz in Na+-Form, dessen Träger aus 4%igem Divinylbenzyliden besteht, gereinigt, worauf ein Entmineralisierungsschritt folgt.
Die nach diesem ersten Schritt erhaltene Maltuloselösung mit einem Maltulosegehalt von 95% wird durch Eindampfen unter vermindertem Druck bei einer Temperatur von 60°C bis zu einem Trockenmassegehalt von etwa 67,5% konzentriert. Ihr Übersättigungsgrad beträgt nun weniger als 1.
2 Liter dieser Lösung werden gekühlt und auf eine Temperatur von 33°C gebracht, was dazu führt, daß man einen Grad der Übersättigung mit Maltulose von einem Wert von etwa 1,1 erhält.
Nun bevorzugt man die Nukleation durch Scheren der Lösung mit einem Homogenisator vom Typ Ultra-Turrax, der von der Firma BIOBLOCK vertrieben wird.
Man führt dann die Kühlung in einem doppelwandigen Kristallisator unter Rühren in 26 Stunden linear bis zu 25°C weiter.
Nach der Kristallisation werden die Kristalle mit Hilfe einer herkömmlichen Zentrifugenschleuder von der Mutterlösung getrennt und gewogen. Bei diesem Schritt werden die 277 g Kristalle mit 300 ml Wasser und dann mit 200 ml Ethanol geklärt.
Die Kristalle werden dann in einem Wirbelbett-Trockner während 15 min bei 60°C getrocknet.
Die Kristallisationsausbeute beträgt 15 Gew.-% kristallisierte Maltulose, bezogen auf das Gewicht der Ausgangsmaltulose. Die Reinheit der gewonnenen Kristalle bezüglich Maltulose beträgt 97% trocken. Der Wassergehalt beträgt 5,4%.
Der Schmelzpunkt der auf diese Weise erhaltenen Maltulosemonohydrat-Kristalle beträgt 115,5°C.
Beispiel 2.
Kristallisation einer wässrigen Maltuloselösung mit einem Gehalt von 75 Gew.-%.
Die Kristallisation wird ausgehend von einer Maltuloselösung von 75 Gew.-% durchgeführt, die durch Isomerisation einer wässrigen Maltoselösung, wie in Beispiel 1 beschrieben wurde, erhalten wird und entmineralisiert wird.
Die Lösung wird dann durch Eindampfen unter vermindertem Druck bei einer Temperatur von 60°C bis zu einem Trockenmassegehalt von 65% konzentriert und auf 25°C gekühlt, um einen Grad der Übersättigung mit Maltulose über 1 zu erhalten.
1 Liter dieser Maltuloselösung wird bei 25°C durch Zusatz von 10 g Keimen von Maltulose, wie sie in Beispiel 1 erhalten wurde, beimpft.
Die Lösung wird dann in 24 Stunden bis auf 15°C gekühlt. Die Kristallisationsausbeute beträgt 12 Gew.-%. Die Reinheit der gewonnenen Maltulose-Monohydrat-Kristalle beträgt 95% trocken.

Claims

Verfahren zur Herstellung von kristallinem Maltulose-Monohydrat, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt: – Herstellung einer wässrigen Maltuloselösung mit einem Gehalt von mehr als 65 Gew.-%, – Konzentration der wässrigen Maltuloselösung auf eine Trockenmasse von über 50 Gew.-% und bei einer Temperatur über 60°C, so daß der Übersättigungsgrad der Maltulose kleiner als 1 ist, – Abkühlung der konzentrierten Lösung auf eine Temperatur zwischen 20° und 50°C, so daß der Übersättigungsgrad der Maltulose auf einen Wert größer als 1 gebracht wird, – Kristallisation der Maltulose in dieser übersättigten Lösung, indem sie unter Rühren mit gesteuerter Geschwindigkeit gekühlt wird, und – Abtrennung, Gewinnung und Trocknung der auf diese Weise erhaltenen Maltulose-Monohydrat-Kristalle.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man eine wässrige Maltuloselösung mit einem Gehalt über 85 Gew.-% und vorzugsweise zwischen 85 und 97 Gew.-% herstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die wässrige Maltoselösung bis zu einer Trockenmasse zwischen 65 und 75 Gew.-% konzentriert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man die konzentrierte Lösung auf eine Temperatur zwischen 25°C und 35°C kühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Maltulose kristallisieren läßt, indem man durch Scheren der übersättigten Lösung eine Selbstnukleation bewirkt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Maltulose durch Beimpfen der übersättigten Lösung mit Maltulosekeimen kristallisieren läßt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man die übersättigte wässrige Lösung bis auf eine Temperatur von höchstens gleich 10°C in einer Zeit von mindestens 15 Stunden kühlt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die erhaltenen Maltulose-Monohydrat-Kristalle durch Zentrifugieren gesammelt und bei einer Temperatur zwischen 50°C und 80°C getrocknet werden.