NO324884B1 - Fremgangsmate for separering av vandige inulinopplosninger som inneholder karbohydrater i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører fremgangsmåter for separering av vandige inulinoppløsninger som inneholder karbohydrater i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader.

Inulin er et naturlig forekommende frukt-oligosakkarid som består av en blanding av oligomerer av varierende grad av polymerisasjon ("DP") eller molekylvekter som forekommer i naturlige planter som løk, hvitløk, jordskokk, georgine og sikori for planteenergilagring. Inulin som er fremstilt fra forskjellige planter, ved forskjellige trinn i vekstsyklus av en plante, eller under forskjellige klimatiske betingelser, vil normalt ha forskjellige gjennomsnittlige DP-verdier.

En av begrensningene som industrien i dag står overfor er at hele avlingen av røtter må høstes og bearbeides i løpet av 2 måneder for å få inulin før det blir brutt ned til fruktose. Nåværende situasjon (ved å anvende kjente teknikker) krever et stort anlegg for å bearbeide en stor materialmengde i løpet av en kort tidsperiode, og dette hindrer effektiv bruk i økonomisk skala fordi bearbeidingsanleggene vil ligge ubrukte i store deler av året.

E. Berghofer et al. beskriver i "Pilot-scale production of inulin from chicory toots and it suse in foodstuffs" 1993, Elsevier, Amsterdam, sider 77-84 en fremgangsmåte for å separere en inulinoppløsning som inneholder karbohydrater med forskjellig molekyl-vekt. Publikasjonen beskriver bare rensing av inulin fra sikorirotjuice og beskriver ikke separasjon av inulin i adskilte fraksjoner med forskjellig grad av polymerisasjon.

JP-A-03 281601 beskriver en fremgangsmåte for separering av en blanding som inneholder fruktan med forskjellige polymerisasjonsgrader. Publikasjonen angår en spesifikk illustrasjon på hvordan en spesifikk membran anvendes for å gi et spesielt produkt.

EP-B1-49012 beskriver en fremgangsmåte for å oppnå en polysakkaridoppløsning med spesifikke molekylvekter. Denne fremgangsmåen separerer ikke inulin i adskilte fraksjoner med forskjellig grad av polymerisasjon.

EP-B 1-442866 beskriver en fremgangsmåte for å separere syntetiske vannløselige polymerer for å oppnå ønskede høy-molekylvektsfraksjoner med foretrukne egenskaper. I denne publikasjonen beskrives det ikke noen separasjon av inuliner i adskilte fraksjoner med forskjellig grad av polymerisasjon. Inuliner nevnes overhodet ikke.

I Europa blir sikori anvendt som en inulinkilde. I den kjente teknikken blir inulin ekstrahert fra sikorirøtter ved å dyppe skårede vegetabiler (roesnitt) i varmt vann, eller bløte ut røttene, deretter pasteurisere blandingen og filtrere av ekstraktet. Det resulterende ekstraktet inneholder en kompleks blanding av forskjellige kjedelengder av fruktose bundet 6(2->l) med leilighetsvis en a-D-glukopyranosylrest ved reduserende ende av kjeden, sammen med fruktose, glukose, sukrose, salter, fett, proteiner og aminosyrer. Oppvarming av blandingen blir betraktet som essensiell for å inaktivere inulinnedbrytende enzymer (inulinase). Proteiner og andre polare komponenter blir deretter fjernet ved behandling med kalk og/eller karbon og diatomejord, deretter blir karbohydratstrømmen deionisert med ionebytterharpikser. Når en høymolekylvekts (MW) eller høy DP inulinfraksjon er ønsket, blir den typisk isolert ved etanolutfelling, krystallisasjon, kromatografi eller ultrafiltrering. Disse metodene blir benyttet ved å redusere innhold av mono- og disakkarider, salter eller aminosyrer i lav MW-området, og for å redusere innhold av proteiner, cellulosefibre og annet debris ved høymolekyl-vekts enden. Der ultrafiltrering har blitt anvendt i kjent teknikk, måtte man gjøre en enkel separasjon ved fjerning av lavere MW-komponenter som membranpermeat mens man beholder høyere MW-inulin. Berghofer et al. (sitert under) har f.eks. anvendt ultrafiltrering for å fjerne ikke-inulinkomponenter ved å anvende hullfiberkassetter med molekylvektsavkutting på 2000 eller 5000 (hhv. Romicon PM2 eller PM5), men denne fremgangsmåten resulterer i tap av mer enn halvparten av inulin uten noe åpenbar fraksjonering.

Der lav DP-fruktoligosakkarider er det ønskede produktet, anvender dagens industri enten syrer eller enzymer for å bryte ned høy MW-fraksjoner for å oppnå en felles kvalitetssammensetning. Dette krever ytterligere prosessering til det som er angitt over for å gjennomføre hydrolyse, deretter fjerning av enzym eller mineralsyre hvilket øker de samlede prosesskostnader.

Foreliggende oppfinnelse skaffer tilveie en fremgangsmåte som unngår nødvendigheten av å oppnå inulinprodukter av jevn kvalitet ved anvendelse av teknikker for å bryte ned høye MW-fraksjoner. Ved å dra fordel av den naturlige fordeling av sammensetningene, begrenser foreliggende oppfinnelse ikke utvinning av inulinet fra naturlige produkter til et smalt innhøstings- og bearbeidelsestidsrom. Bearbeidelsestiden kan følgelig fordelaktig utvides over en lengre tidsperiode, for dermed å muliggjøre gradvis prosessering av innhøstingen i et mindre anlegg som opereres kontinuerlig hele året. Som et resultat kan et mindre anlegg benyttes, som ikke er ubenyttet i en betydelig tidsperiode. Selv om foreliggende fremgangsmåte kan anvende inulin fra en hvilken som helst vanlig tilgjengelig kilde, er jordskokk bedre egnet for nord-amerikansk landbruk (klima, etc.).

Et ytterligere bidrag ved foreliggende oppfinnelse er anvendelse av membranifltrering

for å klargjøre ekstraktet, for dermed å gjøre det unødvendig å bruke kalk og karboner-ing, eller filtrering ved anvendelse av filtreringshjelpemidler (slik som diatomejord eller kieselholdig jord), og å anvende en serie med membraner med adskilte MW-avkuttings-områder for å generere en familie eller serie av rensede inulinprodukter som er nyttige for humant bruk som mat eller i terapi.

Disse produktene omfatter en serie av fraksjoner som har relativt smale DP-områder, som har forskjellige egenskaper som tillater dem å fungere i distinkte kapasiteter i matsystemer. Høyere DP-områder kan f.eks. tjene bedre som tykningsmidler og/eller fetterstatning, mens det lavere DP-området er kjent å ha egenskaper i matsystemer som minner om de fra sukker (sukrose). Mellomliggende områder er for tiden ikke kommersielt tilgjengelig, men forventes å være mer lik sukker enn større DP-områder, men gir mer fortykning enn lave DP-områder slik som ble oppnådd ved hydrolyse.

Siden gjennomsnittlig MW av insulin i jordskokk-knoller (og andre kilder slik som sikori og georgineknoller) er kjent for å variere med innhøstingstidspunkt (lavere MW er begunstiget i knoller som er høstet inn senere), kan fraksjonering og blanding tjene til å tilveiebringe et konsistent produkt og tillate formulering av "vanlige" blandinger for spesielle anvendelser. Blanding gir konsistens ved sammensetningen for ethvert gitt produkt, slik at egenskapene er konsistente og forutsigbare - det er meget viktig i matprosessering slik at formulering kan være lik fra sats til sats. Blanding tillater også fremstilling av tallrike produkter som har forskjellige MW-profiler.

Oppfinnelsen tilveiebringer følgelig en fremgangsmåte for separering av en første vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et område av polymerisasjonsgrader i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader, kjennetegnet ved at den omfatter at man utsetter en vandig inulinoppløsning for ultrafiltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse hvorved inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat, og inulin-rfaksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad som er høyere enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat, hvori de separerte inulinfraksj onene inneholder forhåndsutvalgte smalere polymerisasjonsgrader, og hvori en separert inulinfraksjon utsettes for ytterligere ultrafiltrering.

Produksjon av inulin fra plantematerialer slik som jordskokk-, georgine- og sikori-knoller blir normalt gjennomført ved å anvende følgende generelle prosedyre: 1. Vasking av knollene; 2. Kutting, oppmaling eller oppskjæring av knollene; 3. Ekstrahering av inulin fra knollene med vann; 4. Behandling med kalk og karbondioksid;

5. Filtrering; og

6. Utvinning av inulin ved inndamping eller utfelling.

Inulin kan gjøres til gjenstand for varme og/eller pH-justering ved et trinn i prosessen for å denaturere inulinase.

Biologi, kjemi og analyse av inulin og beslektede substanser er oppsummert i "Science and Technology of Fructans", M. Suzuki og N.J. Chatterton, Eds., CRC Press, Boca Raton, FL, 1993. En teknologioversikt som angår inulin finner man i "Inulin and Inulin-containing Crops", S. Fuchs, Ed. Elsevier Science Publishers B.V., Amsterdam, 1993. Særlig se Vogel, "A process for the production of inulin and its hydrolysis products from plant material", s. 65-75; Berghofer et al., "Pilot-scale production of inulin from chicory roots and its use in foodstuffs", s. 77-84; og Vukov et al., "Preparation of pure inulin and various inulin-containing products from jerusalem artichokes for human consumption and for diagnostic use", s. 341-345.

Berghofer et al.-artikkelen som er angitt over nevner anvendelse av hulfibermembran-kassetter (Romicon PM-2 og PM-5) for ultrafiltrering av vandig inulinoppløsning. På side 80 blir det fastslått at "ved å anvende en fullverdig membran har det vist seg mulig å beholde høy-molekylinulinpartikler i retentatet mens samtidig større deler av aske og nitrogenholdige substanser vil føres inn i permeatet". Fremgangsmåten ble således anvendt som en måte å rense inulin, heller enn å separere i fraksjoner som har forskjellig molekylvektsfordelinger.

I Proceedings of the Fifth Seminar on Inulin, holdt 27. oktober, 1995, A. Fuchs, forfatter, publisert av Carbohydrate Research Foundation (Haag, Nederland) angis på side 65-66 følgende: "Kort-kjedede insuliner bør bli separert fra lang-kjedet inulin ved ultrafiltrering eller nanofiltrering på en preparativ skala. Noen eksperimenter har derfor blitt gjennomført for å bestemme om det er mulig å separere kort-kjedet (DP<4) fra lang-kjedet (DP>10) inulin. Så langt har forskjellige ultrafiltreringsmembraner blitt testet for deres evne til å separere inulin fra mono- og disakkarider på den ene side, og til forskjellige inulinfraksjoner med forskjellig molekylvektsfordeling på den annen side. Data vedrørende karbohydratsammensetningen av filtratene (fig. 8) viser at det ikke var mulig med noen signifikant separasjon eller fraksjonering av noen type".

Slik det er angitt over skaffer oppfinnelsen tilveie en fremgangsmåte for klargjøring av et råinulinekstrakt ved membranifltrering og separering av en vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et område av grad av polymerisasjon til fraksjoner som har forskjellig gjennomsnittlig grad av polymerisasjon og omfatter at man utsetter en vandig inulinoppløsning for membranifltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse hvorved inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig grader av polymerisasjon som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig grader av polymerisasjon som er større enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat.

Oppfinnelsen er nyttig ved f.eks. inulinoppløsninger som inneholder karbohydrater som har grader av polymerisasjon innenfor området fra 1 (fruktose eller glukose) til ca. seksti, til fraksjoner som inneholder for-utvalgte smalere områder av polymerisasjonsgrader.

Et vanlig problem som man møter ved gjennomføring av membranfiltreirngsteknikker er tiltetting av membranoverflaten på grunn av avsetning av debris og andre komponenter i tilførselen på membranoverflaten og dette resulterer i nedsatt strøm av

permeat gjennom membranen (flukshastighet). Metoden ved kryss-strømmembranfiltre-i ring skaffer tilveie en måte for å gjennomføre dette ved å presse tilførselen så den beveger seg ortogonalt relativt til retningen på gjennomtrengingen, og således konstant sveiper membranoverflaten fri for tilsetninger. Andre teknikker som er anvendt for å redusere eller unngå tiltetting innbefatter mekanisk risting av membranen eller økning

av skjær eller turbulensen av tilførselen ved membranoverflaten. Teknikker som

; vanligvis benyttes for å øke skjæipåvfrkning innbefatter meget rask strømhastighet av tilførsel over membranen og/eller anvendelsen av ledeplater i veien ved resirkulerende tilførsel. Ved valg av metode for klargjøring av en rå strøm (slik som råinulinekstrakt)

kan en av flere kryss-strørnkonfigurasjoner (f.eks. hule fiber eller spiraltvunnede membraner) bli benyttet så lenge man tar tilstrekkelig hensyn for å unngå omfattende tiltetting av membranoverflaten.

I et trekk vil foreliggende oppfinnelse skaffe tilveie en fremgangsmåte som omfatter trinnene med: (a) utvinning av inulin fra en naturlig inulinkilde for dermed å produsere en første vandig oppløsning som inneholder (i) inulin som har et område av polymerisasjonsgrader og (ii) urenheter, der urenhetene innbefatter minst et medlem fra gruppen bestående av mineraler, aminosyre, proteiner, fett, celleveggfragmenter, kolloidalt materiale og partikkelformet materiale; (b) utsette den første vandige oppløsningen for et denatureringstrinn for å denaturere minst et enzym valgt fra gruppen besteående av inulinnedbrytende enzymer og fargedannende enzymer for å fremstille en andre vandig oppløsning; (c) klargjøre den andre vandige oppløsningen for å fjerne partikkelformet materiale, kolloidalt materiale og mikroorganismer for å fremstille en tredje vandig oppløsning; (d) fjerning av ioniske urenheter og farge-dannende urenheter fra denne tredje vandige oppløsningen for å danne en fjerde vandig oppløsning; og (e) separere inulin i den fjerde vandige oppløsningen i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader og som omfatter å utsette den fjerde vandige oppløsningen for ultrafiltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse der inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er større enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer videre en fremgangsmåte for å separere en første, vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et område av polymerisasjonsgrader i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader, kjennetegnet ved at innbefatter å gjøre den første vandige inulinoppløs-ningen til gjenstand for ultrafiltrering gjennom mer enn en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse, hvorved inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranene som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad større enn nevnte forhåndsbestemte verdi samles opp som retentat.

Oppfinnelsen tilveiebringer videre en fremgangsmåte for å separere en vandig inulin-oppløsning som inneholder karbohydrater som har et polymerisasjonsgradområde i fraksjoner som har forskjellig gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad, kjennetegnet ved at den omfatter trinnene med: (a) utvinning av inulin fra en naturlig inulinkilde for dermed å produsere en første vandig oppløsning som inneholder (i) inulin som har et område av polymerisasjonsgrader og (ii) urenheter, der urenhetene innbefatter minst et medlem fra gruppen bestående av mineraler, aminosyrer, proteiner, fett, celleveggrfagmenter, kolloidalt materiale og partikkelformet materiale; (b) utsette den første vandige oppløsningen for et denatureirngstrinn for å denaturere minst et enzym valgt fra gruppen bestående av inulinnedbrytende enzymer og fargedannende enzymer for å fremstille en andre vandig oppløsning; (c) klargjøre den andre vandige oppløsningen for å fjerne partikkelformet materiale, kolloidalt materiale og mikroorganismer for å fremstille en tredje vandig oppløsning; (d) fjerne ioniske urenheter og farge-dannende urenheter fra denne tredje vandige oppløsningen for å danne en fjerde vandig oppløsning; og (e) separere inulin i den fjerde vandige oppløsningen i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader og som omfatter å utsette den fjerde vandige oppløsningen for ultrafiltrering gjennom mer enn en membran som har forhåndsbestemte porestørrelser der inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsmttlige polymerisasjonsgrader som er større enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat.

Det følgende er en beskrivelse av en laboratorieskalaprosess for fremstilling av inulinfraksjoner fra et planteprodukt (jordskokk-knoller) ifølge oppfinnelsen:

Isolering av inulin fra oppmalte jordskokk-knoller - metode 1.

A. Ekstraksjon.

Jordskokk-knoller (272,1 kg) ble vasket og debris ble fjernet. Rengjorte knoller ble delt i 22-23 kg lotter og dampet ved atmosfærisk trykk i ca. 10 minutter. En liten væske-mengde ble samlet fra knollene (2,57 kg pr. 22,7 kg knoller). Massen av knollene avtok til ca. 22,2 kg etter damping. Vann (masse lik den begynnende massen av knollene) ble oppvarmet til koking i en dampkappe 378,5 1 beholder. De dampede knollene ble knust ved å anvende en kjøttkvern og de knuste knollene oppveid (gjennomsnittlig 20,96 kg pr. sats). Det meste av tapet skyldes vannfordamping, og i mindre grad ufullstendig gjenvinning fra oppmaleren. De oppmalte knollene ble overført til kokende vann og ekstrahert i 10-15 minutter. Hele massen ble deretter overført ved øsing eller samlet fra bunnen av beholderen til en pneumatisk presse foret med musselinstoff for å beholde knollfragmentene. Det varme filtrerte ekstraktet ble samlet og oppveid. Gjennomsnitts-mengden som ble samlet var 26,5 kg ekstrakt pr. 22,7 kg ladning av ferske knoller. Totalt 317,7 kg ekstrakt ble samlet ved denne metoden. Ekstraktet ble deretter utsatt for høy temperatur (143,3°C) i 5-15 sek., fylt i sterile 3,78 1 eller 9,46 1 beholdere og lagret under avkjøling.

B. Klargjøring av rå jordskokk-knollekstrakt

Klargjøring ble gjennomført på et resirkuleringssystem bestående av et tilførsels-reservoar, en Wilden Ml (matkvalitet) pumpe (lufrtilførselstrykk 620,5 kPa) utstyrt med en Blacoh Sentry III pulsdamper, en trykkmåler før membrankassetten for å måle innløpstrykket. En 5,08 cm hulfiberkassett (HF) med 0,5 mm fiberdiameter og 0,93 m<2>membranoverflateareal ble anbrakt vertikalt og tilført fra bunnen. Romicon HF-10-20-PM10 (10.000 NMWCO) ble anvendt, men andre produkter kan også benyttes. En trykkmåler på utløpssiden av membranen viste utløpstrykket. En nåleventil etter trykk-måleren ble anvendt for å tilføre tilbaketrykk til systemet. Konsentratet ble deretter returnert til tilførselstanken for å fullføre kretsen. Permeatet ble samlet i en ren 20 L beholder. Resirkuleringshastigheten var 4-6 gpm, innløpstrykket 172,3-206,9 kPa og baktrykket 27,6-34,5 kPa. Under klargjøring av råekstraktet ble det observert en permeatfluks på 100-120 ml/min. Når oppløsningen ble konsentrert til ca. 20% av opprinnelig volum, ble tre sykluser av diafiltrering<1>gjennomført ved tilsetning av et volum av vann til tilførselen for å redusere viskositet og rekonsentrering av permeatet til opprinnelig volum. Tilnærmet 1141 ekstrakt ble konsentrert til ca. 201. Tilnærmet 154 1 permeat ble samlet, inkludert 601 fra de tre syklusene av diafiltrering. Brix-målingen tatt av permeat var til å begynne med ca. 10-12°Bx, avtok deretter til 6°Bx forut for diafiltrering. Under diafiltrering avtok konsentrasjon av inulin i permeatet ytterligere til 0,2°Bx. Konsentratet viste en endelig avlesning på 3-4°Bx. I tillegg til å gjennomføre en klargjøring av ekstraktet, flytter denne hulfiberfiltreirngsprosedyren den meget høye molekylvektfraksjonen (DP>40) av inulin som bare er svakt oppløselig i vann. C. Ultrafiltrering av klargjort ekstrakt (fraksjonering av lav DP-inulin).

Permeat samlet fra HF-klargjøring (totalt 153,75 kg inneholdende 1,77 kg inulin) ble resirkulert gjennom en spiraltvunnet (SW) membrankassett (DESAL G10, 2,5K NMWCO) ["NMWCO" representerer nominell molekylvektsavkutting] med tilnærmet 2,6 m<2>membranareal. Totalt 101,65 kg inneholdende 10,7 kg karbohydrater ble kombinert i blandetanken og resirkuleringen etablert. Prøver av konsentrat (Cl, 10,5°Bx) og permeat (Pl, 3,3°Bx) ble fjernet. Konsentrasjon ble fortsatt i 49 minutter til ca. 65 liter. Ytterligere 35,5 kg inneholdende 0,95 kg karbohydrater ble tilsatt, til-førselen ble igjen konsentrert til ca. 701 og endelig ble 16,6 kg inneholdende 0,13 kg karbohydrater tilsatt tilførselen. Etter 33 min. ble konsentrat (C2,15,8°Bx) og permeat samlet. Konsentrasjon ble fortsatt i 1,5 timer til et sluttvolum på ca. 101. Konsentratet ble fortynnet med 18,2 kg deionisert vann og diafiltrering fortsatt til et endelig volum på ca. 101. Retentatet ble fortynnet igjen med 18,1 kg deionisert vann og konsentratet (C3, 24°Bx) og permeatet (P3, 6°Bx) ble samlet. Diafiltreringen ble gjenopptatt i ytterligere 35 min. til et sluttvolum på ca. 101 konsentrat. Tilførselen ble igjen fortynnet med en tredje porsjon av deionisert vann (18,1 kg) og diafiltrering fortsatt i ytterligere 30 min. til endelig 13,75 kg (24,4°Bx). Permeat (P4) konsentrasjon var 2,5°Bx. Permeatene fra diafiltrering ble holdt separat fra det begynnende permeatet. Permeatet ble samlet i ti 20-1 beholdere og lagret frosset over natten. Beregnet gjennomsnittlig strømhastighet var 363,6 l/m<2>/dag.

'"Diafiltrering" er en operasjonsmetode ved ultrafiltrering. Ved diafiltrering blir rent oppløsningsmiddel tilsatt systemet kontinuerlig eller som en sats, etterfulgt av ytterligere fjerning av permeat. På denne måten kan en oppløsning av makrooppløsninger bli vasket fri for hovedsakelig all mikrooppløsning. Angitt på annen måte er "diafiltrering" samtidig fortynning og gjennomtrenging.

Resulterende konsentrat (dvs. retentat) hadde en MW-fordeling som var tungt forskjøvet mot høyere MW-del av et smalere område som vist i tabell I. MW-fordelingene i dette eksperimentet og i eksperimentene hvis resultater er rapportert i tabellene II og III ble bestemt ved størrelseutelukkelseskromatografi<2>.

Lavere DP-verdier (1-4) ble fjernet (dvs. ført gjennom som permeat) tilnærmet full-stendig og noen svakt høyere kjeder (DP 5-8) ble også fjernet i en mindre grad for å gi et retentatprodukt med DP tilnærmet 6-25 som 72% av inulinmassen, DP 4-7 ved 21%, 5,5% DP 4, og mindre enn 1% DP 3. Ingen påvisbare mengder av sukrose eller monosakkarider var tilstede. Permeatet inneholdt primært DP 4-7 (40%), omtrent like mengder DP 4 (23%) og 3 (20%) og mindre mengder sukrose (DP 2), (7%) monosakkarider (4%) og salter (5%).

Sammensetning av konsentrat og permeat endret seg under gjennomtrengingsprosessen avhengig av grad av ultrafiltrering eller diafiltrering, slik man kan se i tabell II under:

<2>Størrelsesutelukkelseskromatografi.

Et system bestående av Waters 510 pumpe, Waters Gradient kontrollinnretning, WISP autoprøvetaker, et 3-kolonnesystem (Phenomex PolySep P3000, P2000 og P1000 (7,8x300 mm, plassert i elueringsrekke-følge), en Shodex RI-71 detektor, og en miniDAWN MALLS detektor ble benyttet. Data ble prosessert ved ASTRA for WINDOWS v. 4.00. Mobilfase var isokratisk 0,05% NaN3i renset vann, og filtrert gjennom et 0,2 u filter. Strømhastigheten var 0,6 ml/min.

Det ble åpenbart at ved skjønnsom tidsinnstilling av konsentrasjonsgrad var det mulig å skreddersy sammensetningen av konsentrat for å oppnå en ønsket sammensetning i permeatet. Dette vil være fordelaktig ved fremstilling av forskjellige produkter fra en enkel tilførsel. Det gjør det videre mulig for den som gjennomfører fremgangsmåten å oppnå et produkt som er hovedsakelig fritt for uønskede kalorikomponenter (DP log 2) med et enkelt membransystem i stedet for å kreve to separate membranbehandlingstrinn.

Permeatet fra G10 membranen ble utsatt for ytterligere ultrafiltrering på en DES AL G5 (SW, 2540,2,6 ft<2>, IK NMWCO) for å fjerne lavere MW-komponenter. De første 7 (av 10) 18,9 liters tromlene av G10 permeat ble tilsatt tilførselstanken. Resirkulering ble etablert og når permeatet begynte å strømme, ble tilførsel og permeat samlet. Tilførselen ble konsentrert til ca. 45 1 og konsentrat og permeat ble samlet igjen. Trommel 8 ble tilsatt konsentratet når nivået nådde 401 og tilførselen ble igjen konsentrert til 401. Samme prosedyre ble fulgt med trommel 9 og 10. Prøver av tilførsel (17,2°Bx) og permeat (0,9°Bx) ble tatt etter at siste trommel av tilførselen var konsentrert til 201. Konsentrasjon fortsatte til 15 1, tilførselen ble fortynnet med 10 kg deionisert vann og diafiltrering fortsatt til en slutrmasse på 16,4 kg konsentrat (28,5°Bx). Gjennomsnittlig strømhastighet ble beregnet til 240,3 l/m<2>/dag. Det resulterende konsentratet inneholdt betydelig reduserte nivåer av sukrose, monosakkarider og salter, slik man kan se i tabell III under:

D. Avfarging og deionisering

Til 12,02 kg ekstrakt (enten forut for eller etter membranklargjøring/separasjon; i dette tilfellet blir det gjennomført etter membranseparasjon), med en 27,5% Brix-avlesing, blir det tilsatt en slurry av 578,2 g kalsiumhydroksid (kalk) suspendert i 1,16 kg vann. Gassformig karbondioksid blir tilsatt blandingen under kraftig røring. Innføring av kalk og karbondioksid ble justert for å kontrollere pH mellom ca. 10,4 og 10,7; begynnende tilsetning av kalk hevet pH av ekstraktet, opprinnelig ved ca. 5,5 til 11,0, og resulterte i dannelse av et flokkulerende presipitat såvel som dannelse av en klar gulgrønn farge. Etter fullføring av kalktilsetningen, ble pH justert til ca. 10,4 ved karbondioksidtilset-ning, og blandingen fikk anledning til å stå over natten. Etter henstand over natten ble pH redusert til nøytralt ved ytterligere tilsetning av karbondioksid.

Avfargende karbon (303 g KBFF pulverformig karbon) ble tilsatt den kalkede blandingen; sluttblandingsmassen var 14,9 kg med en Brix-avlesing på 24°. Den resulterende blandingen ble sentrifugert for å fjerne bulkmassen av utfellingene. Klargjøring av blandingen ble gjennomført ved å anvende en 500K NMWCO HF-membran med tre sykluser av diafiltrering. Tilnærmet 74% av karbohydratinnholdet ble gjenvunnet.

Sentrifugeringsbetingelsene kunne konfigureres for å effektivt fjerne karbonet, men dette ville involvere anvendelse av store mengder filterhjelpemiddel slik som celitt. Det er mer hensiktsmessig å fjerne bulkmassen av utfellingen ved sentrifugering, og deretter føre resulterende hydrat gjennom en skall-og-rør eller hulfibermembran av egnet porøsitet for å fjerne resterende karbon og mikrobiologisk kontaminering.

Den klare oppløsningen ble ført over en kolonne av Dowex Monosphere 550A (klorid form) ved 0,12 sjiktvolumer pr. minutt. Tilnærmet 64% av oppløste faststoffer (basert på grader Brix) ble utvunnet fra harpiksen. Det som strømmet ut ble umiddelbart ført gjennom en kolonne av blandet sjiktharpiks (Dowex MR-3) ved samme hastighet som den tidligere kolonnen. pH og konduktivitet ble overvåket for å sikre at pH ikke gikk under 4 og konduktiviteten forble mindre enn 1 mS. Da harpiksen var brukt opp, sank pH raskt fra 5 til 3 og konduktiviteten steg fra 0,1 til 0,3 mS. En frisk harpikskolonne ble anvendt for å fortsette prosessen. Tilnærmet 64% av oppløste faststoff ble utvunnet fra dette trinnet basert på Brix bestemmelse.

£. Isolering av fast inulin.

Oppløsningen fra de tidligere trinnene som inneholdt 3,5 kg inulin ble konsentrert ved rotasjonsinndamping til en konsentrasjon på 28,5° Brix. En del av denne oppløsningen ble spraytørket på en Niro spraytørker ved å anvende en innløpstemperatur på 195°C og utløpstemperatur på 120°C ved en tilførselshastighet på 2,5 kg/time. Tørket inulin (3,07 kg) ble gjenvunnet som et fint granulært produkt som var moderat hygroskopisk.

Isolering av inulin fra oppmalte jordskokk-knoller - Metode 2.

A. Ekstraksjon

Ekstraksjonen ble gjennomført som beskrevet i metode 1 over.

B. Klargjøring av råekstrakt.

Råekstrakt (15 kg, 10° Brix) ble klargjort ved å anvende en 500 K NMWCO HF modul (3,8 cm x 63,5 cm) med 0,27 m2 membran og 1,0 mm lumendiameter (A/G Technology, Inc.). Resirkulering var tilnærmet 6 gpm. hinløpstrykket var 206,9 kPa og utløps-trykket 20,7 - 34,5 kPa. Begynnende strømhastighet var 256 ml/min. som avtok til 194 ml/min. ved en volumgjenvinning på 80%. Konsentratet ble utsatt for diafiltrering inntil permeatkonsentrasjon avtok til 1,5° Brix. Denne prosedyren ble gjentatt inntil 126,2 kg permeat (inkludert diafiltreringspermeat) ble oppnådd. Det kombinerte permeatet ble konsentrert ved kryss-strømfiltrering ved å anvende en IK NMWCO SW modul

(DESAL G5, 6,3 x 101,6 cm, 2,6 m<2>) til 49,5 kg for å forenkle lagring og redusere konsentrasjon av lavmolekylvektskontaminanter. Dette er fordelaktig for å redusere behovet for regenerering eller erstatning av ionebytterharpikser og/eller aktiverte karbonadsorbenter senere i prosessen.

C. Kontinuerlig deionisering og avfarging av klargjort ekstrakt.

Konsentrert permeat ble fortynnet til 10° Brix prosessert på en kontinuerlig måte ved å føre i rekkefølge gjennom fire kolonner (4 x 60,9 cm) pakket med følgende adsorbenter i rekkefølge for bruk: 1. Mitsubishi P308 (Cl"); 2. Dowex Monosphere 550A (OH'); 3. Dowex Marathon C kation bytter (H<+>); 4. Darco 12x20LI granulært aktivert karbon (GAC). Den eluerte oppløsningen blir overvåket på basis av absorbans ved 268 nm og konduktivitet. Rekkefølgene av adsorbentene kan bli variert for å tilfredsstille behovene i prosessen eller produktspesifikasjoner. I foreliggende tilfelle er anvendelse av klorid-harpiksen som første trinn fordelaktig ved at den effektivt fjerner farge og bytter ut anioner enkelt; disse er vanskelig, om ikke umulig å fjerne med hydroksidformen av harpiksene alene. Anbringelse av hydroksidharpiks før syreharpiks unngår også eller minimaliserer pH endringer i syreområdet og disse er ødeleggende for polyfruktanet.

D. Fraksjonering av deionisert/avfarget inulin.

Det underliggende prinsippet for denne operasjonen er separasjon av forskjellige kjede-lengdepopulasjoner av inulin ved å anvende en serie av membraner. Mens dette normalt kan bli gjennomført ved størrelseutelukkelseskromatografi i kommersiell skala, kan anvendelse av en serie av membraner, som passende velges for deres empirisk bestemte molekylvektsavkutting, skaffe tilveie en mer økonomisk måte for å gi relativt smale eller brede molekylvektspopulasjoner om ønsket, med forskjellige fysikalske egenskaper. En typisk sekvens av membraner kan være i stigende eller avtagende rekkefølge av NMWCO, imidlertid kan en blandet rekkefølge av NMWCO skaffe tilveie en noe forskjellig blanding av kjedelengder enn den som oppnås ved en strengt sekvensiell anvendelse av økende eller avtagende NMWCO membraner. 1. Preparativ fraksjonering av inulin med diafiltrering: måling av prosent forkasting.

En oppløsning av renset inulin (55,8 kg, 9,6° Brix) ble konsentrert ved å anvende en membranmodul (6,3 x 101,6 cm) med en nominell 3,5K NMWCO. Utvunnet 9,36 kg

(17,4° Brix) av konsentrat C-l og 46,4 kg permeat P-l (5,2° Brix). Konsentrat C-l (8,84 kg) ble fortynnet til 30,6 kg og rekonsentrert med en membranmodul av 10K NMWCO. Det endelige konsentrat C-2 (6,1 kg, 8,7° Brix) ble lagret frosset. Permeat P-2 ble kombinert med P-l. De kombinerte permeatene ble konsentrert på en membranmodul av 2,5K NMWCO. Konsentrat C-3 (6,18 kg, 10,4° Brix) ble frosset. Permeat P-3 (58,6 kg, 2,9° Brix) ble konsentrert med en membranmodul av IK NMWCO for å gi konsentrat C-4 (10,9 kg, 9,3° Brix) som også ble lagret frosset. Permeat P-4 (47,7 kg, 0,5° Brix) ble kastet.

Tabellen under oppsummerer prosent forkasting av inulinkomponenter målt for hver membran. Prosent forkasting3 (%R) beregnet i henhold til formelen:

der Cr er konsentrasjon i retentat, C0er den i tilførselen, Vrer volum av retentat og V0er volum av tilførsel.

Dersom komponenten ikke var påvisbar i tilførselen, men var målbar i konsentratet, var beregnet % forkasting langt høyere enn 100%, men verdien i tabellen under ble satt til 100%. På tilsvarende måte ble noen av de meget lave DP-komponenter (DP 1,2 og 3-4) beregnet å ha negativ % forkastning på 10K NMWCO modulen, men verdien ble satt til 0% forkasting.

<3>Matson, S.L., "Membrane Separations"; kapittel 8 i Membrane Separations Technology. Principles and Applications. R.D. Noble og S.A. Stern (eds.), Elsevier, 1995. Side 353-413, sasrlig side 393.

2. Isolering av inulinfraksjoner.

I denne prosessen ble en begynnende ladning av inulin fra sikori ført i rekkefølge gjennom fire forskjellige membranfraksjoneringstrinn (10K, 3,5K, 2,5K, 1,0K NMWCO) for å gi fire produkter med adskilte sammensetninger på bakgrunn av molekylvektfordeling av inulin.

En renset oppløsning av inulin i vann (10% v/v; 100,21 kg) ble oppvarmet til 40°C for å oppløse høymolekylvektsmateriale. Oppløsningen ble utsatt for ultrafiltrering gjennom en spiraltvunnet membranmodul (6,3 x 101,6 cm; 10K NMWCO) inntil 34,84% av opprinnelig masse var igjen. Konsentratet ble utsatt for tre sykluser av diafiltrering (en syklus besto av fortynning med en lik masse av vann etterfulgt av konsentrasjon til det opprinnelige volum). Gjenværende konsentrat etter diafiltrering (10KC1) ble lagret frosset.

De kombinerte permeatene fra tidligere trinn ble konsentrert ved kryss-strømfiltrering ved å anvende en spiraltvunnet membranmodul (6,3 x 101,6 cm; 3,5K NMWCO) inntil 9,93% av den tilførte massen var igjen som konsentrat. Konsentratet ble deretter utsatt for tre sykluser av diafiltrering som over for å gi konsentrat 3,5KC2.

De kombinerte permeatene fra 3,5KC2 ble konsentrert for å gi halvparten av opprinnelig volum ved å anvende en IK NMWCO membranmodul. Permeatet ble kastet og konsentratet fraksjonert videre ved å anvende en 2,5K NMWCO modul. Konsentratet var 10,2% av opprinnelig tilført masse, og var gjenstand for diafiltrering som beskrevet tidligere for å gi konsentrat 2,5KC3. Permeatene fra konsentrasjon og diafiltrering ble til slutt konsentrert på en IK NMWCO membranmodul (8,07% av opprinnelig masse) og utsatt for tre sykluser av diafiltrering for å gi 1,0KC4. Permeatene fra dette siste trinnet ble kastet. Prosentsammensetning av hvert konsentrat er oppsatt i tabellen under.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for separering av en første vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et område av polymerisasjonsgrader i fraksjoner som har forskjellige gjennomsmttlige polymerisasjonsgrader,karakterisert vedat den omfatter at man utsetter en vandig inulinoppløsning for ultrafiltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse hvorved inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat, og inulin-fraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad som er høyere enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat, hvori de separerte inulinfraksjonene inneholder forhåndsutvalgte smalere polymerisasjonsgrader, og hvori en separert inulinfraksjon utsettes for ytterligere ultrafiltrering.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat fremgangsmåten inkluderer et trinn hvori den første vandige inulinoppløsningen renses ved membranfiltrering før nevnte første vandige inulinoppløsning gjøres til gjenstand for ultrafiltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat ultraflltreirngsmembranen har en spiraltvunnet konfigurasjon.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2,karakterisert vedat nevnte membranfiltrering utføres ved anvendelse av en hulfibermembran.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den vandige oppløsningen av renset inulin inneholder karbohydrater som har polymerisasjonsgrader innenfor området fra 1 (fruktose eller glukose) til ca. seksti.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den vandige oppløsningen av renset inulin inneholder inulin utvunnet fra jordskokk, sikori eller georgine.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1,karakterisert vedat den forhåndsbestemte porestørrelsen er anordnet og konstruert for å la inulinfraksjoner som har molekylvekter valgt fra gruppen bestående av ca. IK, 2,5K, 3,5K og 10K passere gjennom.

8. Fremgangsmåte for å separere en vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et polymerisasjonsgradsområde i fraksjoner som har forskjellig gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad,karakterisertv e d at den omfatter trinnene med: (a) utvinning av inulin fra en naturlig inulinkilde for dermed å produsere en første vandig oppløsning som inneholder (i) inulin som har et område av polymerisasjonsgrader og (ii) urenheter, der urenhetene innbefatter minst et medlem fra gruppen bestående av mineraler, aminosyre, proteiner, fett, celleveggrfagmenter, kolloidalt materiale og partikkelformet materiale; (b) utsette den første vandige oppløsningen for et denatureringstrinn for å denaturere minst et enzym valgt fra gruppen besteående av inulinnedbrytende enzymer og fargedannende enzymer for å fremstille en andre vandig oppløsning; (c) klargjøre den andre vandige oppløsningen for å fjerne partikkelformet materiale, kolloidalt materiale og mikroorganismer for å fremstille en tredje vandig oppløsning; (d) fjerning av ioniske urenheter og farge-dannende urenheter fra denne tredje vandige oppløsningen for å danne en fjerde vandig oppløsning; og (e) separere inulin i den fjerde vandige oppløsningen i fraksjoner som har i forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader og som omfatter å utsette den fjerde vandige oppløsningen for ultrafiltrering gjennom en membran som har en forhåndsbestemt porestørrelse der inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er større enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat trinn (b) er et oppvarmingstrinn.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat trinn (c) omfatter at man fører den andre vandige oppløsningen gjennom et passende filtermedium.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8,karakterisert vedat trinn (d) omfatter føring av den tredje vandige oppløsningen gjennom et absorbent-medium.

12. i Fremgangsmåte for å separere en første vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et område av polymerisasjonsgrader i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader,karakterisert vedat innbefatter å gjøre den første vandige inulinoppløsningen til gjenstand for ultrafiltrering gjennom mer enn en membran som har en forhåndsbestemt i porestørrelse, hvorved inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranene som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad større enn nevnte forhåndsbestemte verdi samles opp som retentat. )

13. Fremgangsmåte for å separere en vandig inulinoppløsning som inneholder karbohydrater som har et polymerisasjonsgradområde i fraksjoner som har forskjellig gjennomsnittlig polymerisasjonsgrad,karakterisertv e d at den omfatter trinnene med: 5 (a) utvinning av inulin fra en naturlig inulinkilde for dermed å produsere en første vandig oppløsning som inneholder (i) inulin som har et område av polymerisasjons grader og (ii) urenheter, der urenhetene innbefatter minst et medlem fra gruppen bestående av mineraler, aminosyrer, proteiner, fett, celleveggrfagmenter, kolloidalt materiale og partikkelformet materiale; (b) utsette den første vandige oppløsningen for et denatureringstrinn for å denaturere minst et enzym valgt fra gruppen bestående av inulinnedbrytende enzymer og fargedannende enzymer for å fremstille en andre vandig oppløsning; (c) klargjøre den andre vandige oppløsningen for å fjerne partikkelformet materiale, kolloidalt materiale og mikroorganismer for å fremstille en tredje vandig oppløsning; (d) fjerne ioniske urenheter og farge-dannende urenheter fra denne tredje vandige oppløsningen for å danne en fjerde vandig oppløsning; og (e) separere inulin i den fjerde vandige oppløsningen i fraksjoner som har forskjellige gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader og som omfatter å utsette den fjerde vandige oppløsningen for ultrafiltrering gjennom mer enn en membran som har forhåndsbestemte porestørrelser der inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er mindre enn en forhåndsbestemt verdi passerer gjennom membranen som permeat og inulinfraksjoner som har gjennomsnittlige polymerisasjonsgrader som er større enn den forhåndsbestemte verdien blir samlet som retentat.