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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von D-Galactose
und D-Galactose-enthaltenden Zusammensetzungen. Die vorliegende
Erfindung stellt in spezifischerer Weise ein Verfahren zur Isolierung von
D-Galactose aus Leguminosenmaterial bereit, wobei das Verfahren
Unterwerfen einer Leguminosen-Zusammensetzung, die nicht homologe
lösliche
Polysaccharide, allgemein als Oligosaccharide bezeichnet, enthält, einer
Behandlung oder mehreren Behandlungen, die zu einem Präparat, umfassend
mindestens 30 % Oligosaccharide, führt/führen und anschließende Hydrolyse
der Oligosaccharide in diesem Präparat
hauptsächlich
zu Monosacchariden, umfaßt.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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D-Galactose
wird in der Industrie in großem
Umfang als Ausgangsmaterial eingesetzt. Beispielsweise verwenden
viele Süßungsmittel,
z.B. Polyolzucker, D-Galactose als Ausgangsmaterial zur Herstellung
derselben. Beispiele sind Arabinose, Pentitol, Arabinitol, Globotriose,
Arbitol, Galactitol, Xylitol und Tagatose. D-Galactose kann auch
in der Getränkeindustrie,
z.B. in Sportgetränken,
als Ersatz von Phenolen in Harzen, bei der Herstellung von Kontrastmitteln
oder als Süßungsmittel
in Lebensmitteln, z.B. um Zahnfäule
zu verhindern, eingesetzt werden.
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Es
sind mehrere Verfahren zur Herstellung von D-Galactose bekann. Einer
der herkömmlichsten
Typen der D-Galactose-Herstellung,
der derzeit angewendet wird, ist die Hydrolyse von Milchzucker,
Lactose. Milchzucker kann z.B. aus Milchmolke isoliert werden. In
den letzten Jahren wurden zahlreiche Patentanmeldungen, die die
Optimierung der D-Galactose-Isolierung aus Milchzucker betreffen,
offenbart. Beispiele für Verfahren
zur Herstellung von D-Galactose aus Milch werden unten genannt.
US-4156076 offenbart ein Verfahren für die Umwandlung von Lactose
in Monosaccharide und Derivate davon, das oxidative Hydrolysieren einer
Lactose-Lösung
unter Bildung von Galactose und Gluconsäure und Trennen dieser zwei
Bestandteile umfaßt.
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US 3 981 773 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von D-Galactose und Getränke auf
D-Galactose-Basis aus Lösungen,
die Lactose enthalten. Das Verfahren umfaßt (1) die Kultivierung einer
mutanten, nicht-pathogenen, prototrophen Hefe oder mutanter, nicht-pathogener,
prototropher Bakterien mit beta-Galactose-Aktivität und gal
--Charakter auf einem Medium, das Lactose
enthält,
und (2) Isolierung von D-Galactose.
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US 4067748 offenbart die
Hydrolyse von Lactose aus Molke in Glucose und D-Galactose. Lactose
wird in Wasser mit einem festen, unlöslichen, stark sauren Ionenaustauschharz,
das auf bestimmten vernetzten Polystyrolen oder bestimmten Kohlenhydraten
basiert, in Kontakt gebracht.
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FR 2530661 offenbart die
Hydrolyse von Lactose, die in Proteinkonzentraten enthalten ist.
Die Produkte werden durch enzymatische Hydrolyse der Lactose in
Lactoprotein-Konzentraten,
welche durch Ultrafiltration von Molke gebildet werden, unter Verwendung
von Lactasen oder beta-Galactosidasen erhalten.
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EP 168127 offenbart ein Verfahren
und eine Apparatur zur kontinuierlichen Hydrolyse von Lactose in Glucose
und Galactose unter Verwendung eines Durchflußreaktors, an dem ein Lactase-System
immobilisiert worden war. Diese umfassen das Einführen eines
kontinuierlichen Stroms einer Lactose-Lösung,
entweder aus Lactose-Pulver, das aus einem Molkestrom kristallisiert
war oder direkt aus einer Ultrafiltrationsvorrichtung oder mehreren
Ultrafiltrationsvorrichtungen, die das Molkeprotein in einer konzentrierten
Form aus einem Molkestrom entfernen und eine saubere Lactose-Lösung liefern.
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EP 499165 offenbart ein Verfahren
zur Herstellung eines Zuckersirups, der Galactose, Fructose und Glucose
enthält.
Der Zuckersirup wird aus Molkeultrafiltrat durch Reinigung, Entsalzung,
Konzentrierung, Hydrolyse von Lactose, Isomerisierung von Glucose
in Fructose und Reinigung/Konzentrierung des Produktes erhalten.
In diesem Verfahren wird viel Arbeit in die Bildung einer Mischung
von Monosacchariden, die D-Galactose umfassen, gesteckt, was anzeigt,
daß Monosaccharid-Mischungen,
die Galactose umfassen, sehr gefragt sind. Die in
EP 499165 präsentierte Monosaccharid-Mischung
kann in einfacher Weise auch mit dem neuen Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung hergestellt werden.
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Ein
Nachteil einer Verwendung von Milchprodukten als Ausgangsmaterialquelle
für die
Produktion von D-Galactose ist teilweise eine Mengenfrage. Die Milchlieferung
ist begrenzt und in den nächsten
Jahren nicht leicht zu erhöhen
und ungenügend,
um die Industrie derzeit und in der Zukunft mit ausreichend D-Galactose zu
versorgen.
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Darüber hinaus
ist die Verarbeitung von D-Galactose-Präparaten
aus Milchprodukten teuer, um zu verhindern, daß das Präparat mit intrinsischen Milchsubstanzen
kontaminiert wird. Eine Kontamination könnten z.B. mikrobiellen, viralen
Ursprungs sein oder durch Antibiotika oder Schwermetalle erfolgen.
Die kontaminierenden Substanzen könnten in der Folge umfangreiche
Probleme ergeben, wenn das D-Galactose-Präparat z.B.
für Lebensmittel-
oder Futteranwendungen verwendet wird.
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Außerdem kann
die aus Milchprodukten produzierte D-Galactose nicht als Ingrediens
für Lebensmittel dienen,
die für
Personen hergestellt werden, die an Milchunverträglichkeit leiden, oder auch
nicht für
Lebensmittel verwendet werden, die als Kosher-Lebensmittel hergestellt
werden. Speziell der Markt der Kosher-Lebensmittel ist derzeit ein
riesiger Markt.
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Das
potentielle Vorliegen von kontaminierenden Substanzen, die begrenzte
Verfügbarkeit
von Milch und die hohen Kosten, die mit der Milchproduktion in Verbindung
stehen, sind die Hauptgründe
für die
hohen Kosten, die derzeit mit der Produktion von D-Galactose aus
Milch verbunden sind. Die vorliegende Erfindung überwindet die vorgenannten
Probleme. Im erfindungsgemäßen Verfahren
zur Herstellung von D-Galactose wird ein in großem Umfang verfügbares alternatives
Ausgangsmaterial verwendet und außerdem ist keine umfangreiche
Bearbeitung für
die Entfernung der angegebenen kontaminierenden Substanzen notwendig.
Daher werden die Kosten zur Herstellung von D-Galactose und D-Galactose
umfassenden Zusammensetzungen signifikant verringert und D-Galactose-Präparate können in
einem breiteren Anwendungsfeld eingesetzt werden.
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Außer dem
oben genannten industriell verwendeten Verfahren unter Verwendung
von Lactose als Quelle für
die D-Galactose-Produktion
wurde vor langer Zeit eine Reihe alternativer Quellen vorgeschlagen. Diese
Verfahren waren allerdings als Verfahren in großem Maßstab wirtschaftlich nicht
lebensfähig.
In den letzten zwei Jahrzehnten haben sich die Fachleute auf die
Entwicklung von Verfahren unter Verwendung von Lactose als Quelle
konzentriert.
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Pflanzliche
Ausgangsmaterialien, die bis dato zur Herstellung von D-Galactose
beschrieben wurden, wurden im Hinblick auf das Vorliegen von homologen
Galactose-Polymeren, z.B. Galactan ausgewählt. Die Überlegung war wahrscheinlich
die, daß nur
die Hydrolyse von solchen Homologen D-Galactose-Polymeren zu nützlichen D-Galactose-enthaltenden
Präparaten
führt.
Da diese Polymere im Ausgangsmaterial üblicherweise in sehr geringen
Konzentrationen vorliegen, wurden allerdings keine wirtschaftlich
machbaren Verfahren im industriellen Maßstab zur Herstellung von D-Galactose
entwickelt. Außerdem
wurde kein Verfahren entwickelt, das in großem Umfang verfügbare pflanzliche
Ausgangsmaterialien verwendet.
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Nachfolgend
werden drei Beispiele für
Verfahren zur Herstellung von D-Galactose-Zusammensetzungen unter
Verwendung von Ausgangsmaterialien, die homologe Galactose-Polymere umfassen,
zusammengefaßt.
Die begrenzte Verfügbarkeit
von Ausgangsmaterial, das in den Verfahren eingesetzt wird, eine übermäßige Verwendung
von Chemikalien und ein exotisches Klima, das für das Wachstum des Ausgangsmaterials
erforderlich ist, stellt sicher, daß die Verfahren wirtschaftlich
nicht durchführbar
sind.
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US 1718837 (1931) offenbart
ein Verfahren zur Herstellung von D-Galactose aus dem Wasserextrakt von
Lärchenholz
aus Ländern
der westlichen Welt (Larix occidentalis).
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Banerji
offenbart in Journal of the Institution of Chemists (Indien) 52:
57–58
(19980) ein Verfahren zur Herstellung von D-Galactose aus green
Aegle marmelos-Fruchtgummi. Die Vorbehandlungen für die Herstellung
von D-Galactose gemäß diesem
Verfahren umfassen: (i) Isolierung des Gummis aus bael-Frucht durch horizontales
Schneiden der Früchte
und Isolieren des Gummis aus der Höhlung zusammen mit dem Samen mittels
eines kleinen Spatels, (ii) Auflösen
des Gummis in Wasser, (iii) Entfernen der Samen durch Filtration, (iv)
Zusatz von 0,1 M Schwefelsäure
zu dem Filtrat, (v) Erwärmen
der Säurelösung bei
100°C für 7 Stunden, (vi)
Abkühlen
der Lösung
auf Raumtemperatur, (vii) Filtration der Lösung, (viii) Gießen des
Filtrats in 5 Volumina Aceton, (ix) Präzipitieren des D-Galactans.
Anschließend
wird reines D-Galactan mit Schwefelsäure (4 Gew.%) vermischt und über Nacht
inkubiert, wonach das Galactan durch Erwärmen des Gemisches für 12 Stunden
auf 80° bis
85°C gelöst wird.
Danach wird Wasser zu dem inkubierten Gemisch gegeben und das Gemisch
wird mit Bariumhydroxid neutralisiert. Nach der Neutralisierung
wird das Gemisch einer Filtration unterzogen und das Filtrat wird
durch Amberlite IR-120-Harze geführt.
Die entionisierte Lösung
wird mit 1 bis 2 % Aktivkohle gerührt, filtriert und eingeengt.
Schließlich
wird der Sirup in Methanol gelöst,
Wasser wird zugesetzt und die Lösung
wird in einen Kühlschrank
gestellt, um D-Galactose kristallisieren zu lassen.
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Die
Ausgangsmaterialquelle, die oben beschrieben ist, ist nicht in großem Umfang
verfügbar
und kann nicht in Mengen verarbeitet werden, die für den derzeitigen
und zukünftigen
D-Galactosebedarf erforderlich sind. Zusätzlich sind die Mengen und
die Identität
erforderliche Verfahrenshilfsmittel, die in dem Verfahren benötigt werde,
ziemlich gefährlich
und auch für
die Umwelt gefährlich.
Darüber
hinaus ist das Verfahren sehr zeitaufwendig, arbeitsintensiv und
teuer.
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Ingle
schlägt
in Research and Industry, 21(4): 243–246 (1976) ein Verfahren für die Herstellung
von D-Galactose über
Hydrolyse eines konzentrierten wäßrigen Extrakts
von Cashew-Nußschalen
mit Säure
vor. Der konzentrierte Extrakt von Cashew-Nußschalen wurde angesäuert, bis
die Lösung
bezüglich
Schwefelsäure
10%ig war. Die saure Lösung
wurde für 12
Stunden unter Rückfluß erwärmt, worauf
sich ein Kühlen
und eine Filtration anschloß.
Der Rückstand
wurde dann mit Wasser gewaschen und verworfen. Das Filtrat und die Waschflüssigkeit
wurden kombiniert und mit Bariumhydroxid auf einen pH von 6,0 neutralisiert.
Eine weitere Neutralisierung erfolgte mit Natriumcarbonat, um die
im Hydrolysat vorliegende freie Schwefelsäure zu entfernen. Diese könnte auch
entfernt werden, indem das Hydrolysat durch Anionenaustauscherharze,
z.B. IRA-400, geführt
wird. Nach Waschen des Bariumsulfat-Präzipitats
mit Wasser wurden das neutrale Filtrat und die Waschflüssigkeit
vermischt und zu Sirup auf konzentriert.
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Offensichtliche
Nachteile dieses Verfahren sind übermäßige Mengen
an Chemikalien, die benötigt werden
(Schwefelsäure,
Bariumhydroxid, rektifizierter Spiritus und Aktivkohle) und die
damit verbundenen erfolgten Abfallprodukte. Zusätzlich verwendet das Verfahren
beträchtliche
Mengen an starken Säuren
und Alkali, die die Verfahrensgerätschaft schädigen werden. Diese Nachteile
machen das Verfahren zur Herstellung von D-Galactose aus Cashew-Nußschalen
unattraktiv und sehr kostspielig.
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Außerdem sind
Cashew-Nußschalen
nicht in den Mengen verfügbar,
die zur Deckung des derzeitigen und zukünftigen industriellen Bedarfs
für D-Galactose
benötigt
werden. Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet eine sehr begrenzte Menge an zusätzlichen
chemischen Substanzen, die die Lebensdauer einer Ausrüstung erhöhen, die
Herstellungskosten reduzieren und den Umweltdruck reduzieren.
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In
Anbetracht der Nachteile der bekannten D-Galactose-Produktionsverfahren
und des derzeitigen und zukünftigen
Bedarfs an D-Galactose bleibt es in hohem Maße wünschenswert, ein Verfahren
zur Herstellung von D-Galactose-Zusammensetzungen
aus in großem
Umfang verfügbaren
pflanzlichen Quellen zu entwickeln, das hohe Kapazität hat, in
der Verarbeitungsindustrie leicht durchzuführen ist, wobei begrenzte Mengen
an Verarbeitungshilfsmittel eingesetzt werden, die einen begrenzten
Umweltdruck verursachen und die auch begrenzte Herstellungskosten
verursachen. Dieses Verfahren wird schließlich hier präsentiert.
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Wie
früher
beschrieben wurde, wurden bei Herstellung von D-Galactose aus pflanzlichen
Quellen im industriellen Maßstab
bis dato homologe Polymere als Quelle für D-Galactose vorgeschlagen.
Das erfindungsgemäße Verfahren
verwendet allerdings keine homologen Galactose-Polymeren als Quelle
für D-Galactose, sondern
verwendet nicht-homologe Zuckerpolymere als Quelle für D-Galactose. Überraschenderweise
konnten solche nicht-homologen Zucker erfolgreich hydrolysiert werden
und es konnten D-Galactose-enthaltende Präparate wirtschaftlich erhalten
werden.
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Eine
Voraussetzung, um eine weitreichende Verwendung des D-Galactose
umfassenden Präparats
in z.B. Lebensmitteln zu gewährleisten,
ist die, daß das
Präparat
allgemein akzeptierte Zucker umfassen sollte, die oft in Lebensmitteln
verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet somit
nicht-homologes Polysaccharid, das mindestens eine Kombination von
D-Galactose mit D-Glucose und/oder D-Fructose in mindestens 90 %
der Gesamtheit der Monosaccharid-Elemente, die in den Oligosacchariden
vorliegen, umfaßt.
Geeignete Oligosaccharide sind somit Melibiose, Manninotriose, Raffinose,
Stachyose und Verbascose. Vorzugsweise ist der Prozentgehalt an
gewünschten
Monosaccharid-Elementen möglichst
hoch, vorzugsweise mehr als 95 %, noch bevorzugter mehr als 99 %
der vorliegenden Monosaccharid-Elemente.
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Seltene
Zucker, d.h. solche Zucker, die in Lebensmitteln nicht oft verwendet
werden, fehlen vorzugsweise in den Oligosacchariden, die gemäß der Erfindung
zu verarbeiten sind. Seltene Zucker sind z.B. Arabinose, Rhamnose,
Frucose, Mannnose, andere Galactose-Varianten als D-Galactose, Arabinogalactan
Typ I, Arabinogalactan Typ II und Uronsäuren. Diese seltenen Zucker
fehlen vorzugsweise, da sie für
die Anwendung von D-Galactose umfassenden Zusammensetzungen schädlich sind.
Das Vorliegen solcher Komponenten würde beispielsweise die Verwendung
solcher Präparate
in Lebensmittelanwendungen einschränken. Darüber hinaus könnten diese
Kontaminanten weitere Probleme bei einer weiteren Reinigung von
D-Glucose verursachen.
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Das
sowohl D-Fructose als auch D-Glucose oft bei der Herstellung von
Nahrungsmitteln verwendet werden, können Präparate, welche D-Galactose
umfassen, die aus diesem Verfahren resultiert, in einfacher weise
in z.B. Lebensmitteln eingesetzt werden.
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Die
Präparate,
die D-Galactose umfassen, welche direkt aus dem erfindungsgemäßen Verfahren
resultiert, können
in Abhängigkeit
von der für
die industrielle Verwendung gewünschten
Reinheit (i) D-Galactose und andere Komponenten, die meist Protein
sind, D-Glucose und/oder D-Fructose; (ii) D-Galactose und andere
Komponenten, die meist D-Fructose und/oder D-Glucose sind, oder
(iii) einen erhöhten
Gehalt an D-Galactose haben. Ursprünglich liefert das Verfahren
ein Galactose-enthaltendes Präparat,
das in einfacher weise z.B. in der Lebensmittelindustrie oder Fermentationsindustrie
verwendet werden kann. Zusätzlich
kann dieses Präparat
weiteren Reinigungsschritten unterzogen werden, welche eine Zusammensetzung
mit einem erhöhten
Gehalt an Galactose erzeugen, die z.B. in der Lebensmittel-, Kosmetik-,
Fermentations- oder chemischen Industrie eingesetzt wird.
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Es
ist gut bekannt, daß in
Leguminosen-Samen Oligosaccharide, z.B. Melibiose, Manninotriose,
Raffinose, Stachyose und Verbascose vorliegen. Diese Oligosaccharide
werden infolge ihrer Antinährstoffeigenschaften
in Tierfutter als Abfall angesehen. Allerdings wurde in jüngerer Zeit
eine Marktnische für
diese Substanzen erkannt, und zwar infolge ihrer Verwendbarkeit
in Gesundheitsnahrung als Bifido-stimulierende Substanzen. Manchmal
werden die Bifido-stimulierenden Substanzen behandelt, um ihren
Saccharose-Gehalt zu verringern und dadurch ein geeigneteres Bifido-stimulierendes
Süßungsmittel
mit geringem Kaloriengehalt zu erzeugen. Keines der oben beschriebenen
Verfahren war allerdings hauptsächlich
auf die Produktion von Monosacchariden gerichtet.
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Infolge
der Blähung-verursachenden
Wirkung und somit der negativen Wirkung auf den Nährwert von Proteinprodukten
wurden diese Oligosaccharide bis dato aus den Proteinprodukten,
die aus Legeminosen-Ausgangsmaterial hergestellt wurden, entfernt.
Eine Entfernung dieser Oligosaccharide wurde beispielsweise durch
Waschen des Proteinproduktes oder durch Abbau der Blähung erzeugenden
Saccharide in der Proteinzusammensetzung erreicht. Manchmal werden
Kohlenhydrate-abbauende Mittel zur Verbesserung der Proteinzusammensetzungen
dem gereinigten Protein zugesetzt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
die bis jetzt verworfenen Oligosaccharide dieser bekannten Verfahren
nun als Quelle für
D-Galactose und D-Galactose umfassende Zusammensetzungen eingesetzt
werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
wurde nun festgestellt, daß ein überraschend
einfaches, industriell anwendbares Verfahren zur Herstellung von
D-Galactose aus weithin verarbeiteten Leguminosen-Quellen verwendet
werden kann. Im Gegensatz zu den früher beschriebenen Verfahren
zur Herstellung von D-Galactose aus pflanzlichen Quellen werden
die D-Galactose-Präparate,
die aus dem Verfahren resultieren, nicht durch die Hydrolyse von
homologen Galactose-Polymeren gebildet, sondern durch die Hydrolyse
von nicht-homologen Zucker-Polymeren (gemeinhin als Oligosaccharide
bezeichnet) gebildet, in denen mindestens 90 % der gesamten vorliegenden
Monosaccharid-Elemente aus D-Galactose in Kombination mit D-Glucose
und/oder D-Fructose bestehen. Die Zusammensetzung der Oligosaccharide
ermöglicht
es, daß Präparate mit
variierendem Gehalt an D-Galactose zur Verwendung in beispielsweise
Nahrungsmitteln sehr geeignet sind.
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Das
D-Galactose-Präparat
kann die derzeitige und zukünftige
Industrie mit riesigen Mengen an D-Galactose auf pflanzlicher Basis
versorgen. Außerdem
werden die Kosten für
die Herstellung von D-Galactose im Vergleich zu den derzeit bekannten
Verfahren zur Herstellung pflanzlicher D-Galactose sichtlich verringert;
das Verfahren verursacht im Vergleich zu Verfahren, die derzeit
zur Herstellung von D-Galactose aus pflanzlichen Quellen bekannt
sind, minimalen Umweltdruck.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
umfaßt
(a) Unterwerfen einer Oligosaccharid-haltigen Zusammensetzung, wobei
das Oligosaccharid zumindest 90 % der gesamten vorliegenden Monosaccharid-Elementen aus
D-Galactose in Kombination mit D-Glucose und/oder D-Fructose besteht,
einer oder mehreren Behandlungen, die zu einem Präparat, umfassend
zumindest 30 % der Oligosaccharide auf Trockengewichtsbasis, führen, und
(b) Hydrolysieren der Oligosaccharide des in (a) erhaltenen Präparats hauptsächlich zu
Monosacchariden. Die Monosaccharide liegen vorzugsweise als mindestens
60 % des gesamten Monosaccharid-Gehalts vor, der theoretisch von
den Oligosacchariden ableitbar ist, bevorzugter liegen sie in einer
Menge von mehr als 70 % vor. Natürlich
ist eine möglichst
hohe Ausbeute, z.B. mindestens 80 % bevorzugt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
DER ERFINDUNG
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Nachfolgend
wird ein Verfahren zur Herstellung eines D-Galactose-Präparats,
ausgehend von einer Leguminosen-Quelle beschrieben.
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Im
Prinzip kann eine beliebige Leguminosen-Pflanze oder ein Leguminosen-Pflanzenteil
mit einem deutlichen Gehalt an Oligosacchariden, wobei das Oligosaccharid
zu mindestens 90 % der gesamten vorliegenden Monosaccharid-Elemente
aus D-Galactose in Kombination mit D-Glucose und/oder D-Fructose
besteht, zur Verwendung als D-Galactose-Quelle in betracht kommen.
Solche Pflanzen umfassen Ölsamengemüse und Pflanzen,
die Bohnen oder Erbsen produzieren, die signifikante Konzentrationen
der Oligosaccharide haben. Tabelle 1 gibt einige Beispiele für Leguminosen-Quellen
an, die signifikante Konzentrationen bzw. Level an Oligosacchariden
haben, wobei mindestens 90 % der gesamten vorliegenden Monosaccharid-Elemente aus Galactose
in chemischer Kombination mit D-Glucose und/oder D-Fructose bestehen,
und die daher gute Quellen zur Herstellung von D-Galactose-enthaltenden
Zusammensetzungen sind. Der Prozentgehalt der Oligosaccharide hängt stark
beispielsweise von den Wachstumsbedingungen und den verwendeten
Pflanzenspezies ab.
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In
Tabelle 1 ist der Prozentgehalt der Oligosaccharide als Trockengewicht
der Oligosaccharide pro Gesamttrockengewicht der D-Galactose-Quelle
berechnet. Der Prozentgehalt D-Galactose wird als Trockengewicht
D-Galactose nach der Gesamthydrolyse der Oligosaccharide pro Gesamttrockengewicht
vor Hydrolyse der Oligosaccharide berechnet.
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Die
Quelle, die als Ausgangsmaterial im vorliegenden Verfahren verwendet
wird, kann natürlich
aus zwei oder mehr Pflanzen und/oder Pflanzenteilen stammen. Darüber hinaus
kann die Quelle dieser Oligosaccharide aus der Originalpflanze oder
dem Originalpflanzenteil durch geeignete vorbereitete Behandlungen
wie Enthüllung
oder Hülsenentfernung
oder dgl., Flockenbildunq, die Entfernung mindestens eines Teils
des Fett- oder Ölgehalts
und/oder Vermahlen, Zerkleinern oder Zerreiben, abgeleitet werden.
Darüber
hinaus könnte eine
vorbereitende Behandlung die Entfernung mindestens eines Teils des
Proteins, der Fasern und der Stärke,
die vorliegen, umfassen. Das Material kann in einer beliebigen geeigneten
Form vorliegen, z.B. als Gries, Flocken, Mehl oder Mahlgut.
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Derzeit
sind besonders bevorzugte Ausgangsmaterialien, die die Oligosaccharide
enthalten, Traubenkerne, Sonnenblumenkerne, speziell in Form von
Flocken, Mehl oder Mahlgut, z.B. als entfettete Flocken, Mehl oder
Mahlgut.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
werden die Oligosaccharide aus einer Gemüsequelle extrahiert, indem
wäßrige Extraktionsmittel
mit wasserlöslichen
organischen Lösungsmitteln
oder ohne diese und/oder mit gelösten
Salzen oder ohne gelöste
Salze verwendet werden. Der Extrakt, der die Oligosaccharide umfaßt, kann
im Vergleich zu Oligosacchariden einen hohen Gehalt an Protein,
Fasern oder Stärke
haben. Wenn der Extrakt hohe Protein-, Faser- oder Stärkegehalte
hat, kann eine zusätzliche
Behandlung vor Hydrolyse der Oligosaccharide in der Form einer Entfernung
von Protein, Fasern oder Stärke
erwünscht
sein. Die Behandlung zur Entfernung dieser Komponenten kann eine
beliebige geeignete Behandlung sein, die auf dem Fachgebiet bekannt
ist. Die Behandlung kann z.B. eine Extraktion, Zentrifugation, ein
Dekantieren oder eine Membranfiltration umfassen. Solche Behandlungen
können
einzeln oder als Kombination durchgeführt werden. Sie können außerdem mit
anderen Techniken wie isoelektrische Proteinpräzipitation kombiniert werden. Solche
Behandlungen sind dem Fachmann ebenfalls gutbekannt.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
wird entfettetes Leguminosen-Material mit Wasser vermischt, um die
gewünschten
Oligosaccharide zu solvatisieren. Aus diesem Gemisch wird die unlösliche Phase
von der löslichen
Phase, z.B. Dekantieren, entfernt. Die lösliche Phase wird dann behandelt,
um die Proteine zu präzipitieren,
während
die Oligosaccharide solvatisiert bleiben. Dies kann z.B. unter Verwendung von
Säure erfolgen.
Die nicht-solubilisierten Proteine können dann z.B. durch Zentrifugation
entfernt werden. Das so erhaltene Präparat umfaßt mindestens 30 % Oligosaccharide
auf Trockengewichtsbasis. Die Oligosaccharide in der löslichen
Phase werden dann anschließend
hydrolysiert. Die Hydrolyse kann in einer Weise erfolgen, die per
se für
die Oligosaccharid-Hydrolyse bekannt ist, z.B. durch Säurebehandlung
oder durch Anwenden einer enzymatischen Wirkung zur Freisetzung
von Monosacchariden aus den spezifischen im Präparat vorliegenden Oligosacchariden.
Eine enzymatische Behandlung bildet eine bevorzugte Ausführungsform im
erfindungsgemäßen Verfahren.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
werden Enzyme, die die Fähigkeit
haben, sowohl alpha-galactosidische Bindungen zu brechen als auch
die Fähigkeit
haben, betafructofuranosidische Bindungen zu brechen, oder ein Gemisch
aus Enzymen, das die Fähigkeit
hat, alpha-galactosidische Bindungen zu brechen, und die Fähigkeit
hat, betafructofuranosidische Bindungen zu brechen, der extrahierten
Fraktion als Hydrolysierungsmittel zugesetzt.
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In
einem erfindungsgemäßen Verfahren
sind mindestens 30 % der Oligosaccharide auf Trockengewichtsbasis
zur Hydrolyse erforderlich, damit das Verfahren effizient ist. Wenn
Enzympräparate
als Hydrolysemittel verwendet werden, wird die verwendete Enzymmenge
einen großen
Einfluß auf
die Herstellungskosten von D-Galactose-enthaltenden Zusammensetzungen
haben. Wenn Enzyme als hydrolysierendes Mittel bei Lösungen mit
einem Oligosaccharid-Gehalt von unter 30 % auf Trockengewichtsbasis
angewendet werden, muß entweder
eine untragbare zusätzliche
Enzymmenge zugesetzt werden oder die notwendige Inkubationszeit
muß um
einen unannehmbaren Grad erhöht
werden. Dies hätte
einen negativen Einfluß auf
die Herstellungskosten. Ein anderer potentieller Nachteil der Anwendung
der hydrolysierenden Wirkung in Präparaten, die weniger als 30
% Oligosaccharide auf Trockengewichtsbasis umfassen, ist der, daß die hydrolysierenden Mittel
die Möglichkeit
haben, auf andere Komponenten als die Oligosaccharid zu wirken.
Dies könnte
bewirken, daß das
fertige Präparat
mit seltenen Zuckern, z.B. Arabinose, Rhamnose, Fucose, Mannose
oder Uronsäure, kontaminiert
ist. Diese seltenen Zucker sind unerwünscht, da sie die Anwendbarkeit
der D-Galactose umfassenden Zusammensetzungen beeinträchtigen.
Das Vorliegen dieser Komponenten wird den Rahmen z.B. von Lebensmittelanwendungen,
in welchen die Zusammensetzungen benutzt werden können, beschränken. Ferner
verursachen diese Kontaminanten Probleme bei einer weiteren Reinigung
von D-Galactose.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
wird die Hydrolyse erreicht, indem das Gemisch, das ein enzymatisches
Hydrolysemittel und die Oligosaccharide umfaßt, bei einer Haltetemperatur
zwischen 10°C und
90°C für 5 bis
250 Minuten, bevorzugter bei einer Haltetemperatur zwischen 20°C und 60°C für 10 bis
100 Minuten, gehalten wird.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
werden die Oligosaccharide, die nach Entfernung von präzipitiertem
Protein in der löslichen
Fraktion vorliegen, weiter gereinigt, bevor ein hydrolysierendes
Mittel zugesetzt wird. Eine weitere Reinigung der Oligosaccharide
vor einer Hydrolyse kann unter Anwendung einer zweckdienlichen Trennungstechnik,
z.B. Membrantrennungstechniken wie Ultrafiltration, Diafiltration,
Mikrofiltration, Nanofiltration, Hyperfiltration, usw., oder chromatographischer
Techniken oder einer Kombination davon erreicht werden. Wenn eine
Ultrafiltration verwendet wird, können die verwendeten Membranen
einen theoretischen Cut-off-Wert
des Molekulargewichts von etwa 1 000 bis 200 000 Dalton, bevorzugter
von etwa 2 000 bis etwa 50 000 Dalton, am bevorzugtesten von 5 000
bis 35 000 Dalton, haben.
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Wenn
die Anwendung, für
die die D-Galactose-Zusammensetzungen erforderlich sind, ein relativ
reines D-Galactose-Präparat
erfordert, kann die Konzentration an D-Galactose unter Verwendung
von Trenntechniken, z.B. Membrantrenntechniken, Chromatographietechniken
oder Kombinationen davon, erhöht
werden.
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Eine
Erhöhung
des D-Galactose-Gehalts kann, indem D-Galactose von anderen Sacchariden
abgetrennt wird oder indem D-Galactose
von Nicht-Sacchariden abgetrennt wird, oder durch Kombinationen
davon erreicht werden.
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In
bestimmten bevorzugten Ausführungsformen
werden zuerst die (restlichen) Nicht-Saccharide von der D-Galactose
getrennt. Das resultierende Saccharid-Gemisch umfaßt hauptsächlich Monosaccharide
und kann in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden. Anschließend kann
der Gehalt an D-Galactose durch Entfernung der anderen Saccharide
weiter erhöht
werden. Die Restströme
dieses Verfahrens werden auf diese Weise an anderen Monosacchariden
wie z.B. D-Fructose und D-Glucose angereichert werden. Diese Monosaccharide
können
als wertvolle Ausgangsmaterialien an verschiedene Industriezweige
verkauft werden. D-Galactose kann z.B. unter Verwendung von Techniken,
die dem Fachmann bekannt sind, von anderen Sacchariden abgetrennt
werden. Unter Verwendung von Techniken, die auf dem Fachgebiet der
Trennung von Glucose/Galactose-Gemischen, die durch die Hydrolyse
von Lactose in der Industrie oder zumindest in einem wirtschaftlich
attraktiven Maßstab
erhalten werden, bekannt sind, liefert eine geeignete Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gute Resultate.
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In
einer geeigneten Ausführungsform
werden die D-Galactose und andere Saccharide unter Verwendung der
Säulenchromatographie
getrennt. Außerdem
kann eine Chromatographie auch zur Erhöhung der Konzentration an D-Galactose
im Präparat
durch Entfernung von Salz, Protein oder Faserkomponenten unter Anwendung
bekannter Technologie verwendet werden.
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Es
können
auch Techniken, die Aktivkohle und eine Kristallisation verwenden,
zur Erhöhung
des D-Galactose-Gehalts
eingesetzt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist in einem wirtschaftlich attraktiven Maßstab, das heißt mindestens
einem Maßstab,
der einem halbtechnischen Maßstab
entspricht, durchzuführen.
In den Beispielen werden Tests im halbtechnischen Maßstab erläutert.
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BEISPIELE
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Die
folgenden Beispiele dienen nicht zur Beschränkung oder Einengung des Rahmens
der hierin beschriebenen Erfindung, sondern lediglich zu erläuternden
Zwecken.
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BEISPIEL 1:
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Im
halbtechnischen Maßstab
wurden 150 l Wasser mit einer Temperatur von etwa 20°C zu 30 kg
entfetteten Sojabohnenflocken gegeben und unter Bildung eines einheitlichen
Gemisches gerührt.
Nach 20 Minuten wurden unlösliche
Komponenten in diesem Gemisch von der löslichen Fraktion durch Dekantieren
abgetrennt. Zu der löslichen
Fraktion wurde Salzsäure
zur Durchführung
einer Säurepräzipitation
bei pH 4,5 zu der löslichen
Fraktion gegeben, worauf sich eine Zentrifugation mit 7800 xg anschloß, um die
unlöslichen
Materialien von den löslichen
zu trennen. Die lösliche
Fraktion wurde außerdem
unter Verwendung von Ultrafiltration weiter behandelt. Die Ultrafiltrationsmembran
hatte einen theoretischen Cut-off-Wert des Molekulargewicht von 5 000
Dalton. Das Retentat wurde vom Permeat, das lösliche Saccharide enthielt,
abgetrennt. Das Permeat enthielt etwa 50 % Saccharide auf Trockengewichtsbasis.
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0,1
% alpha-Gal 600L (Novo-Nordisk), bezogen auf dem Trockensubstanzgehalt,
wurden zugesetzt. (alpha-Gal 600 l ist ein Enzympräparat, das
sowohl alpha-galactosidische Aktivität als auch beta-fructofuranosidische
Aktivität
hat). Die Polysaccharide im Permeat löslicher Saccharide auf Trockengewichtsbasis
wurden zu einem Präparat
hydrolysiert, welches hauptsächlich
Monosaccharide enthielt, und zwar durch Inkubieren des Gemisches
für 4 Stunden
bei 50°C.
Der D-Galactose-Gehalt des so erhaltenen Präparats war etwa 5 bis 10 %
auf Trockengewichtsbasis.
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BEISPIEL 2:
-
In
einer Anlage im halbtechnischen Maßstab wurden 150 l Wasser mit
einer Temperatur von etwa 20°C zu
30 kg entfetteten Sojabohnenflocken gegeben und unter Bildung eines
einheitlichen Gemisches gerührt. Nach
20 Minuten wurden unlösliche
Komponenten in diesem Gemisch von der löslichen Fraktion durch Dekantieren
abgetrennt, zu der löslichen
Fraktion wurde Salzsäure
gegeben, um den pH auf etwa 4,5 einzustellen. Das gebildete Präzipitat
wurde durch Zentrifugation mit 7800 xg entfernt. Die so erhaltene
verbleibende lösliche
Fraktion enthielt mindestens 30 % Oligosaccharide auf Trockengewichtsbasis.
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0,1
%alpha-Gal 600L, bezogen auf das Trockengewicht, wurde zugesetzt.
Die Polysaccharide im Permeat löslicher
Saccharide auf Trockengewichtsbasis wurden zu einem Präparat hydrolysiert,
das hauptsächlich
Monosaccharide enthielt, indem das Gemisch für 4 Stunden bei 50°C inkubiert
wurde. Der D-Galactose-Gehalt des so erhaltenen Präparats war
etwa 5 % auf Trockengewichtsbasis.
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BEISPIEL 3:
-
In
der gleichen Weise wie in Beispiel 2 beschrieben, wurde das Präparat, das
etwa 5 % D-Galactose auf Trockengewichtsbasis enthielt, erhalten.
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Das
Präparat
wurde dann unter Verwendung von Ultrafiltration weiter behandelt.
Die Ultrafiltrationsmembran hatte einen theoretischen Cut-off-Wert
des Molekulargewicht von 5 000 Dalton. Das Retentat wurde vom Permeat,
welches lösliche
Saccharide enthielt, abgetrennt. Das Permeat enthielt etwa 5 bis
10 % D-Galactose auf Trockengewichtsbasis.
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BEISPIEL 4:
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In
einer Anlage im halbtechnischen Maßstab wurden 150 l Wasser mit
einer Temperatur von etwa 20°C zu
30 kg entfetteten Sojabohnenflocken gegeben und unter Bildung eines
einheitlichen Gemisches gerührt. Nach
20 Minuten wurden die unlöslichen
Komponenten im Gemisch durch Dekantieren von der löslichen
Fraktion getrennt. Zu der löslichen
Fraktion wurde Salzsäure
gegeben, um ein Säurepräzipitation
bei pH 4,5 durchzuführen,
worauf sich eine Zentrifugation bei 7800 xg anschloß, um die
unlöslichen
Bestandteile von den löslichen
zu trennen. Die restliche lösliche
Fraktion enthielt etwa 50 %Saccharide auf Trockengewichtsbasis.
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1000
ml der löslichen
Fraktion, die etwa 50 % Saccharide auf Trockengewichtsbasis enthielt,
wurde auf eine Chromatographiesäule,
welche mit 100 ml Purolite Macronet MN 500-Harz gefüllt war,
mit einer Strömungsgeschwindigkeit
von 3 Bettvolumina pro Stunde und bei einer Temperatur von 60°C aufgetragen.
Fraktionen wurden gesammelt, bis die Säule unfähig war, noch mehr Protein
oder farbverursachende Komponenten zu binden. Der Protein-Gehalt,
der Aschegehalt und die Farbe der gesammelten Fraktionen war deutlich reduziert.
Die 500 ml-Fraktion, die nach diesem Chromatographieschritt gesammelt
war, enthielt 75 % lösliche Saccharide
auf Trockengewichtsbasis.
-
Es
wurde 0,1 alpha-Gal 600L, bezogen auf die Trockensubstanz, zugesetzt.
Die Polysaccharide im Permeat löslicher
Saccharide auf Trockengewichtsbasis wurden zu einem Präparat hydrolysiert,
das hauptsächlich
Monosaccharide enthielt, und zwar indem das Gemisch für vier Stunden
bei 50°C
inkubiert wurde. Der D-Galactose-Gehalt des so erhaltenen Präparats war
im Vergleich zu der Ausbeute von Verfahren gemäß Beispiel 1, 2 oder 3 um mindestens
50 % auf Trockengewichtsbasis erhöht.
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BEISPIEL 5:
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Im
Labormaßstab
wurde 1 l Wasser mit etwa 20°C
zu 200 g entfettetem Sonnenblumenmehl gegeben und zur Bildung eines
einheitlichen Gemisches gerührt.
Nach 20 Minuten wurde das Gemisch durch ein Sieb mit einer Porengröße von 100 μm gesiebt.
Dem Permeat wurde Salzsäure
zur Durchführung
einer Säurepräzipitation
bei etwa pH 4,2 zugesetzt, worauf sich eine Zentrifugation mit 469b
xg anschloß,
um die unlöslichen Substanzen
von den löslichen
zu trennen. Die verbleibende lösliche
Fraktion enthielt mindestens 30 % Saccharide auf Trockengewichtsbasis.
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0,1
5 alpha-Gal 600L, bezogen auf die Trockensubstanz, wurde zugesetzt.
Die Polysaccharide im Permeat löslicher
Saccharide auf Trockengewichtsbasis wurden zu einem Präparat hydrolysiert,
das hauptsächlich
Monosaccharide enthielt, indem das Gemisch für 4 Stunden bei 50°C inkubiert
wurde. Der D-Galactose-Gehalt des so erhaltenen Präparats war
etwa 3 % auf Trockengewichtsbasis. Diese anfänglichen Resultate zeigen,
daß die
Verwendung von Sonnenblumen als Quelle ähnliche Resultate liefert wie
das Verfahren unter Verwendung von Sojabohnen. Die Resultate können zur
weiteren Erhöhung
der Ausbeute und/oder Reinheit optimiert werden, wie es in den anderen
Beispielen und der Beschreibung angegeben ist.
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BEISPIEL 6:
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Im
Labormaßstab
wurden 1,5 l Wasser mit etwa 20°C
zu 150 g entfetteten Weintraubensamenmehl gegeben und zur Bildung
eines einheitlichen Gemisches gerührt. Nach 20 Minuten wurde
das Gemisch mit einem Sieb mit einer Porengröße von 100 μm filtriert. Dem Permeat wurde
Salzsäure
zur Durchführung
einer Säurepräzipitation
bei pH 4,5 zugesetzt, worauf eine Zentrifugation mit 4696 xg folgte,
um die unlöslichen
Bestandteile von den löslichen
zu trenne. Die verbleibende lösliche
Fraktion enthielt etwa 35 % Saccharide auf Trockengewichtsbasis.
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0,1
%alpha-Gal 600L, bezogen auf die Trockengewichtssubstanz, wurde
zugesetzt. Die Polysaccharide im Permeat löslicher Saccharide auf Trockengewichtsbasis
wurden zu einem Präparat
hydrolysiert, das hauptsächlich
Monosaccharide enthielt, indem das Gemisch für 4 Stunden bei 50°C inkubiert
wurde. Der D-Galactose-Gehalt des so erhaltenen Präparats war
etwa 3,5 % auf Trockengewichtsbasis. Diese Anfangsresultate geben
an, daß die
Verwendung von Weintraubensamen als Quelle ähnliche Resultate wie das Verfahren
unter Verwendung von Sojabohnen liefern sollte. Die Resultate können optimiert
werden, wie es in den anderen Beispielen und der Beschreibung angegeben
ist, um die Ausbeute und/oder Reinheit weiter zu erhöhen.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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1 zeigt
ein Fließschema
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.