CZ2002799A3 - Chromatografické dělení rostlinného materiálu - Google Patents

Description

Chromatografické dělení rostlinného materiálu

Oblast techniky

Tento vynález se týká chromatografického dělení rostlinného materiálu, obsahujícího pektin, jako jsou řízky cukrové řepy. Tento vynález se vztahuje hlavně na oddělení pektinu, oligomerů pektinových sacharidů a současně solí z rostlinného materiálu obsahujícího pektin, pomocí chromatografického dělení.

Dosavadní stav techniky

Pektin je běžně používaným aditivem v potravinářském průmyslu. Je použitelný, např., jako stabilizační, zahušťující a želírující prostředek, např., v džemech a jiných ovocných výrobcích, rovněž jako ve výrobcích z kysaného mléka, jako je jogurt.

Pro separaci pektinu je výchozí rostlinný materiál, jako jsou řízky cukrové řepy, nejprve převeden do roztoku pomocí, např., kyselé nebo alkalické hydrolýzy. Při této hydrolýze jsou do roztoku zaváděny soli, které jsou obvykle nežádoucí v koncovém pektinovém produktu, a které by tudíž měly být odstraněny.

Pektiny jsou konvenčně vyráběny z jablek, řízků cukrové řepy nebo ze slupek citrusů, nejprve extrakcí rozpustných polymerů kyselinou, poté filtrací, koncentrací získaného roztoku a precipitací alkoholem nebo solemi kovů při vhodném pH. Volné cukry zůstávají v alkoholickém vodném roztoku. Protože se při tomto způsobu používají velká množství rozpouštědel, je obsah cukru v alkoholickém vodném roztoku extrémně nízký.

Podle US patentu 4 816 078 (Sůddeutsche Zucker-Aktiengesellschaft) se získá Larabinóza z řízků cukrové řepy nebo z jiného rostlinného materiálu alkalickou hydrolýzou a následným chromatografickým čištěním. US patent 5 250 306 (British Sugar PLC) uveřejňuje způsob získání arabanu z řízků cukrové řepy alkalickou hydrolýzou a poté ultrafiltrací. Při alkalické hydrolýze dle této publikace je pektin rozložen a jsou získány pouze cukry.

Podle WO 99/10 542 (Cultor Organization) se získá L-arabinóza z řízků cukrové řepy chromatografickým dělením na katexu ve formě jednomocného kovu. Tento způsob zahrnuje nejprve extrakci řízků cukrové řepy roztokem silného louhu. Silný louh rozkládá pektinové sloučeniny, takže se získají pouze cukry. JP patent 56 011 903 (Chisso Corporation) popisuje způsob ultrafiltrace pro oddělení „surového“ pektinu od rostlinného materiálu. Na výchozí

-2materiál se nejprve působí kyselinou chlorovodíkovou při pH 2,5 až 3,0 a pektin je extrahován při teplotě 85 °C. Extrakt je přefiltrován a získaný filtrát je ultrafiltrován použitím membrány o dělícím řezu 6000 až 20 000 Da.

US patentová specifikace 5 008 254 (Weibel, Μ. K.) popisuje způsob získání směsi pektinu a cukrů z řízků cukrové řepy kyselou hydrolýzou při vysoké teplotě (120 °C) a krátké době (šest sekund). Tato hydrolyzovaná směs obsahující cukry a některé pektinové sloučeniny je koncentrována ultrafiltrací (dělící řez 30 000 Da). Uvedená rychlá kyselá hydrolýza je výjimečně technicky složitá. Nerozpustná vlákna, která zůstávají po kyselé hydrolýze, mají tendenci rozrušovat koloidní hmotu, která se obtížně filtruje.

DE patentová specifikace 4 313 549 (Herbstreich a Fox KG Pektin FA) popisuje způsob přípravy extraktu obsahujícího pektin z hmoty cukrové řepy. Při tomto způsobuje surový materiál hydrolyzován roztokem kyseliny citrónové při proměnlivé teplotě mezi 50 °C a bodem varu tohoto roztoku.

Specifikace US patentu 5 660 872 /Raffinerie Tirlemontoise S.A.) popisuje způsob chromatografické frakcionace polydisperzního roztoku sacharidových sloučenin. Tento způsob se vztahuje hlavně k oddělování inulinových frakcí. Příslušný materiál obsahující inulin, který má být zpracován, může být, např., získán z rostlinného materiálu, jako je kořen čekanky. Rostlinný materiál je nejprve převeden do roztoku a následně do metastabilního stavu nastavením teploty roztoku na teplotu pod teplotu rozpustnosti, aniž by docházelo k aglomeraci roztoku. Roztok v metastabilním stavuje chromatograficky dělen na vysokomolekulární frakci neobsahující nízkomolekulámí sacharidy (polymerizační stupeň 2 nebo méně, s výhodou 5 nebo méně) a nízkomolekulámí frakci neobsahující vysokomolekulární sacharidy (polymerizační stupeň vyšší než 5). Tento způsob není vhodný pro oddělení solí ze sacharidových sloučenin.

Chem. Abstr., vol 123 (1995), ref. 137 780 popisuje získání pektinových polysacharidů z rostlinného materiálu, jako jsou jablka a citrusová šťáva, na anexových kolonách. Tyto reference neříkají nic o současném získání solí a cukrů. Chem. Abstr. Vol. 55 (1961), ref. 229 94i popisuje chromatografické dělení polysacharidů, jako je směs arabanu cukrové řepy a citrusového pektinu, na celulosových anexech. V alkalických podmínkách, použitých v souladu s aniontovými ionexy, je pektin snadno odbourán.

Chem. Abstr., vol. 67 (1967). Ref. 127 77e, používá při výrobě pektinu z cukrovky ionexy. Tímto způsobem jsou z hydrolyzátů dřeně cukrové řepy odstraněny kovové soli.

-3 - . · :_e<:

SE-B 453 511 (Nils Monten) popisuje způsob přípravy pektinového výrobku z řízků cukrové řepy pomocí aniontového ionexu. Anex je použit pro čistění, ne pro oddělení pektinu od oligomerních a monomemích cukrů. Produkt je tudíž směsí pektinových polysacharidů a oligomerních a monomerních cukrů.

WO 99/19 365 (Korea Institute of Science and Technology) se týká způsobu přípravy terapeutických prostředků obsahujících kyselinu galakturonovou (pektin), arabinózu a galaktózu. Při tomto způsobu jsou pektin a ostatní žádané složky precipitovány ethanolem z vodného extraktu Angelica gigas Nakai a získány zpracováním pektinového precipitátu na anexové pryskyřici. Tento způsob vyžaduje použití organického rozpouštědla (ethanolu).

Použité definice

Ve spojení s předkládaným vynálezem označuje pektin polysacharidovou sloučeninu o vysoké molekulové hmotnosti, která je složena z částečně methylovaných řetězců kyseliny polygalakturonové (obsah kyseliny polygalakturonové nejméně 65 %). Pektin také obsahuje arabanové, galaktanové a xylózové postranní řetězce, připojené k řetězci kyseliny polygalakturonové, přerušovanému rhamnózami. Skupiny kyseliny galakturonové v pektinu z cukrové řepy jsou navíc částečně acetylovány.

Termín „rostlinný materiál obsahující pektin“, použitý ve spojení s předkládaným vynálezem označuje libovolný, z rostlin získaný materiál, který obsahuje pektin. Tento rostlinný materiál, který obsahuje pektin, je typicky získáván z cukrové řepy, citrusových plodů nebo jablek.

Termín „pektinové cukry a oligomery“ ve spojení s předkládaným vynálezem se vztahuje k polysacharidům, oligosacharidům, mono- a disacharidům, rovněž jako k nízkomolekulámím arabanům, oligomerům arabinózy, arabinóze, galaktanům, galaktóze, oligomerům galaktózy, rhamnóze a fukóze, které se společně s pektinem vyskytují v rostlinném materiálu, který obsahuje pektin. Tato směs, kterou je třeba rozdělit, může také obsahovat malá množství sacharózy, glukózy a fruktózy.

Termín „řízky cukrové řepy“ ve spojení s tímto vynálezem označuje řízky, které jsou získány v souvislosti s výrobou cukru, zůstávají po extrakci cukru a z nichž byl cukr z valné části extrahován.

Termín „hydrolyzát řízků cukrové řepy“ ve spojení s předkládaným vynálezem označuje hydro lyžované řízky cukrové řepy, které jsou ve formě roztoku, a které obsahují pektiny a speciální cukry společně se solemi, které je třeba odstranit.

Ve spojení s předkládaným vynálezem termín „soli“ označuje nízkomolekulární ionizované sloučeniny, typicky představované anorganickými nízkomolekulámími ionizovanými sloučeninami, jako jsou sodné, draselné a vápenaté soli.Typickými solemi jsou sodné, draselné a nebo také vápenaté soli anorganických kyselin, jako jsou kyselina chlorovodíková, sírová a nebo také dusičná. V neutralizovaných roztocích jsou ve formě solí a v kyselých roztocích ve formě iontů. Tyto soli pocházejí hlavně z kyselé nebo alkalické hydrolýzy a případné neutralizace rostlinného materiálu obsahujícího pektin, jako jsou řízky cukrové řepy.

Podstata vynálezu

Stručný popis vynálezu

Způsob podle tohoto vynálezu byl úspěšně použit pro separaci pektinu a pektinových cukrů a oligomerů za současného odstranění solí. Tento způsob je ve své celistvosti proveden ve vodném roztoku. Tím jsou odstraněny problémy s toxicitou a hořlavostí, spojené s použitím organických rozpouštědel, jako jsou isopropanol a ethanol.

Protože způsob separace podle tohoto vynálezu je kromě principu vylučování dle velikosti (molekulární síto), také založen na vylučování iontů a nebo retardaci iontů, mohou být obsahy iontů v různých frakcích kontrolovány současně. Kromě separace iontů slouží iontoměnič regenerovaný do formy iontů, také jako iontoměnič, odstraňující kationty (např., chróm, železo) obsažené v roztoku, jejich výměnou za ionty regenerovaného intoměniče. Způsob spojování sbíraných frakcí při chromatografickém dělení se určí kontrolou složení různých frakcí.

Předmětů tohoto vynálezu bylo dosaženo způsobem, který se vyznačuje tím, co je uvedeno dále v nezávislých patentových nárocích. Výhodná uspořádání tohoto vynálezu jsou popsána v závislých patentových nárocích.

Přesný popis vynálezu

V následujícím popisu vynálezu jsou obsahy pektinu, obsahy solí a koncentrace speciálních cukrů vypočteny na základě obsahu sušiny roztoků obsahujících pektin, nanesených na chromatografickou kolonu a obsahu sušiny frakcí získaných chromatografickým dělením.

Tento vynález se vztahuje ke způsobu zpracování rostlinného materiálu obsahujícího pektin, který je ve formě vodného roztoku obsahujícího pektin. Tento vynález spočívá na skutečnosti, že se tento roztok obsahující pektin nanese na chromatografickou kolonu obsahující kationtový iontoměnič a rozdělí se na frakci s vyšším obsahem pektinu než má roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu a na nejméně jednu další frakci, při použití vody jako elučního činidla. Tento způsob poskytuje frakci obohacenou pektinem (pektinová frakce) a nejméně jednu další frakci.

Pektinová frakce může obsahovat jednu nebo více frakcí obsahujících pektin, podle požadované šíře rozdělení molekulových hmotností pro daný pektinový produkt.

V prvním uspořádání tohoto vynálezu, dříve uvedená nejméně jedna další frakce obsahuje frakci s vyšším obsahem soli než roztok obsahující pektin, zavedený na chromatografickou kolonu. Kromě frakce obohacené pektinem poskytuje toto uspořádání frakci obohacenou solemi (solná frakce).

Toto uspořádání vynálezu s výhodou používá kationtový iontoměnič ve formě vícemocného kovu, jako v Ca²⁺ nebo A³⁺ formě. Kromě pektinové frakce je z roztoku obsahujícího pektin oddělena frakce s vyšším obsahem solí, než je v roztoku obsahujícím pektin, který je nanesen na chromatografickou kolonu. Takto se získá pektinová frakce. Poskytuje pektinový produkt, který je zbaven solí, a který je obvykle jako takový použitelný pro další zpracování bez dalšího čištění. Další frakce (ta s vyšším obsahem solí než roztok obsahující pektin, který byl zaveden na chromatografickou kolonu) obsahuje soli a speciální cukry. Soli mohou být z této frakce odstraněny, např., membránovou filtrací, která poskytne produkt speciálních cukrů, zbavených solí.

V druhém uspořádání tohoto vynálezu, dříve zmíněná nejméně jedna ostatní frakce obsahuje frakci, která má vyšší obsah solí než má roztok obsahující pektin, nanesený na chromatografickou kolonu a frakci nebo frakce, které mají vyšší koncentraci speciálních cukrů než roztok obsahující cukry, který byl zaveden na chromatografickou kolonu. Kromě frakce obohacené pektinem, poskytuje toto uspořádání frakci obohacenou solemi (solná frakce) a

-6frakci nebo frakce obohacené pektinovými cukry nebo oligomery (pektinová cukerná nebo oligomerová jedna nebo více frakcí).

V tomto uspořádání vynálezu je roztok obsahující pektin kromě pektinové frakce rozdělen na solnou frakci a na frakci nebo frakce obsahující pektinové cukry a oligomery. Jsou získány pektinová frakce a jedna nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry a oligomery.. Pektinová frakce a jedna nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry a oligomery mohou být tedy odděleny jedním chromatografickým postupem. V případě potřeby lze jednu nebo více frakcí obsahující pektinové cukry a oligomery dále frakcionovat. Toto uspořádání vynálezu je také výhodně provedeno s dělícím iontoměničem ve formě vícemocného kovu, jako jsou Ca²⁺nebo Al³⁺.

V třetím uspořádání tohoto vynálezu, dříve zmíněná nejméně jedna ostatní frakce obsahuje jednu nebo více frakcí, které mají vyšší koncentraci pektinových cukrů nebo oligomerů než roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu. Kromě frakce obohacené pektinem, poskytuje toto uspořádání jednu nebo více frakcí obohacených pektinovými cukry nebo oligomery.

V tomto uspořádání vynálezu je roztok obsahující pektin rozdělen na pektinovou frakci, na jednu nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry nebo oligomery a tato pektinová frakce i jedna nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry nebo oligomery jsou získány. Jedna nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry nebo oligomery, např., arabinózová frakce, se získají čisté, ale pektinová frakce stále obsahuje soli. Toto uspořádání vynálezu s výhodou používá iontoměnič ve formě jednomocných kovů, jako ve formě Na⁺ nebo H⁺. Tyto soli jsou poté z pektinové frakce odstraněny použitím, např., iontové výměny, membránové filtrace nebo jiných chromatografických postupů s intoměničem ve formě vícemocných kovů (Ca²⁺. Al³⁺).

Ve vodě rozpustný pektinový materiál pro chromatografické dělení je získán, např., extrakcí řízků cukrové řepy nebo jiné suroviny obsahující pektin pomocí kyselé nebo alkalické hydrolýzy. Ta poskytuje hydrolyzát, který obsahuje pektiny, pektinové cukry nebo oligomery a soli. Nerozpuštěné pevné látky jsou typicky odděleny od hydrolyzátu filtrací a po vyjasnění poskytnou jasný roztok, obsahující pektin, pro chromatografické dělení. Vedle filtrace a centrifugace je možno pro vyjasnění použít i mechanické postupy. Konečné vyjasnění roztoku může být provedeno hloubkovou filtrací, použitím vhodného přídavného filtračního prostředku.

-7- .· : j ...·

Pokud jsou surovinou řízky cukrové řepy, je hydrolýza povedena pomocí kyseliny za vzniku kyselého hydrolyzátu řízků cukrové řepy. Tato hydrolýza je typicky prováděna při teplotě menší než 100 °C, např., při 75 °C za normálního tlaku s, např., kyselinou chlorovodíkovou, sírovou nebo dusičnou, typicky při pH okolo 1,5. Doba hydrolýzy může být např. tři hodiny. Nerozpustné pevné látky jsou odstraněny z hydrolyzátu např. filtrací, centrifugací nebo mechanickými vyjasňovacími prostředky, aby byl získán jasný roztok, obsahující pektin.

Je-li pro hydrolýzu použita zásada, je hydrolýza provedena za mírných podmínek, při poměrně nízké teplotě, asi 0 až 30 °C, typicky při pH 10 až 13.

Takto získaný hydrolyzát je použit jako roztok obsahující pektin pro vnesení na chromatografickou kolonu.

Sušina roztoku obsahujícího pektin vnášeného na chromatografickou kolonu je typicky 1 až 20 %, výhodně 2 až 10 %, nej výhodněji 1,5 až 5 %.

pH roztoku obsahujícího pektin naneseného na kolonu je typicky méně než 5, výhodně méně než 4, nej výhodněji mezi 1,5 až 3.

Chromatografické dělení tohoto vynálezu je typicky provedeno při teplotě 40 až 90 °C, výhodně při 50 až 80 °C a nejvýhodněji 65 až 80 °C

Při chromatografickém dělení je jako eluční činidlo použita voda.

lontoměnič použitý pro dělení pracuje na principu molekulárního síta, iontové výluky a nebo iontového zbrzdění. Molekulární síto odděluje vysokomolekulámí pektiny od nízkomolekulárních cukrů a solí. Nízkomolekulámí cukry jsou adsorbovány na pryskyřici a odděleny od pektinu. V typickém průběhu dělení je první frakcí získanou z chromatografické kolony pektinová frakce, nízkomolekulámí cukry a soli jsou získány v druhé frakci.

Iontové vylučování, naopak zabraňuje ionizovaným sloučeninám (v předkládaném vynálezu hlavně iontům kyseliny použité pro hydrolýzu) vniknout do pevné fáze (pryskyřice).

Iontové zbrzdění se týká pomalého průchodu ionizovaných látek chromatografickou kolonou.

Je-li iontoměnič ve formě jednomocného iontu (H⁺, Na⁺), jsou ionty (soli) eluovány z kolony částečně se stejným zádržným objemem jako vysokomolekulámí pektin.

Mono sacharidová frakce, která je eluována později, neobsahuje žádné ionty a je extrémně čistou frakcí monosacharidů (frakce pektinových cukrů a oligomerů). V tomto uspořádání obsahuje pektinová frakce určité množství iontů. Pomocí membránových nebo ionexových postupů lze pektinovou frakci zbavit iontů (solí) úplně.

Je-li iontoměnič ve formě dvoj- nebo trojmocných iontů (Ca²⁺, Al³⁺), nejsou ionty stejně silně vylučovány vně pryskyřice, což způsobuje zvýšení zádržného času iontů v roztoku, naneseném na chromatografickou kolonu a v důsledku toho získání čistější pektinové frakce. V případě intoměniče ve formě Ca²⁺ jsou ionty eluovány mezi vysokomolekulámími a nízkomolekulárními sloučeninami (mezi pektinem a cukry). Je-li iontoměnič ve formě Al³⁺, jsou ionty eluovány částečně ve stejné frakci jako monosacharidy nebo po nich, což poskytuje velmi čistou pektinovou frakci.

Chromatografické dělení je provedeno s kationtovým iontoměničem, výhodně se silně kyselým měničem kationtů. Tímto kationtovým iontoměničem může být, např., příčně síťovaný styren-divinylbenzenový kopolymer, který může být v Na⁺ nebo H⁺ formě nebo ve formě vícemocných kovových kationtů, jako Ca²⁺, Mg²⁺, Pb²⁺ nebo Al³⁺.

Je-li požadován co nejčistší pektin, je iontoměnič výhodně ve formě vícemocného kovu, tak jako hliníku (Al³⁺).

Stupeň příčného síťování kationtového iontoměniče je typicky 3 až 12 % DVB, výhodně 4 až 8 % DVB a velikost částic 0,1 až 2 mm, výhodně 0,2 až 0,4 mm.

Chromatografií jsou získány pektinová frakce a jedna nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry a oligomery . Pektinová frakce je typicky získána jako první a za ní jedna nebo více cukerných frakcí. Je-li třeba, je možno tyto hlavní frakce dále čistit.

Frakce získané chromatografií, hlavně pektinová frakce, mohou být dále čištěny, např., iontoměniči. Tento způsob je potom s výhodou proveden kombinací silně kyselého měniče kationtů a slabě bázického měniče aniontů. Tato iontová výměna odstraní všechny případné soli. Stejná iontová výměna může být také použita pro čištění získaných cukerných frakcí.

Kyselý roztok pektinu může být po chromatografickém dělení částečně nebo úplně neutralizován solemi kovů nebo hydroxidy (např., NaOH), typicky v průběhu iontové výměny. Pektin (pH 3 až 4,5), částečně neutralizovaný, představuje ve formě kovových solí nej stabilnější formu pektinu, takže neutralizace také zlepšuje stabilitu pektinu.

Způsob podle tohoto vynálezu může také zahrnovat membránovou filtraci, buď před nebo po chromatografickém dělení. Případné soli mohou být odstraněny ultrafiltrací. Je-li ultrafiltrace provedena po chromatografickém dělení, je typicky provedena na pektinové frakci, ale může být provedena i na cukerné frakci. Ultrafiltrace je typicky provedena použitím dělícího řezu od 1000 do 30 000 Da, výhodně od 10 000 do 30 000 Da.

Způsob podle tohoto vynálezu může také zahrnovat použití adsorbentu před nebo po chromatografií, přičemž adsorbent je použit na roztok obsahující pektin zavedený na

chromatografickou kolonu nebo na frakci získanou při chromatografíckém dělení. Jako adsorbenty jsou typicky používány aktivní uhlí nebo adsorbční pryskyřice. Adsorbce odstraňuje zabarvení a případné pachutě.

Molekulární hmotnost pektinu z cukrové řepy získaného postupem podle tohoto vynálezu se pohybuje mezi 10 000 a 60 000 Da. Čirost tohoto produktu (měřeno jako propustnost 1% roztoku při vlnové délce 655 nm) je 92 až 98 %, tedy významně vyšší než u běžných komerčních preparátů pektinu (28,5 a 39,2 %). Rozpustnost tohoto produktu je také dobrá. Obsah kyseliny ferulové u tohoto produktu je 0,4 až 0,8 %, přepočteno na sušinu.

Pektin, získaný ve formě roztoku, může být chemicky modifikován. Lze ho například příčně síťovat. Příčné síťování, které je výhodně provedeno kovalentně, může být provedeno použitím, např., některé oxidázy jako lakázy.

Takto získaný vyčištěný roztok pektinu může být usušen na komerční produkt. Sušení je typicky prováděno rozprášením nebo v bubnových sušárnách. Je-li třeba, může být usušený pektin práškován, aglomerován do formy granulí a proset na vhodnou velikost částic. Konečný pektinový produkt je zabalen a uchováván na suchém místě. Pektin je také možno koncentrovat s roztokem cukru na stabilní cukerno-pektinový roztok, který lze přímo použít jako stabilizační činidlo v ovocných šťávách.

Požadované pektinové nízkomolekulární cukry a oligomery, tak jako arabany, arabinózové oligosacharidy a arabinóza, jsou získány z jedné nebo více frakcí obsahujících pektinové cukry a oligomery po chromatografíckém dělení. Cukry jsou získány ve formě cukerného roztoku, který lze koncentrovat na sirup (obsah sušiny 50 až 60 %, např.) nebo který může být dále čištěn a dělen, jak je popsáno shora nebo použitím jiných způsobů.

Způsob podle tohoto vynálezu používá cukrovou řepu jako výchozí materiál, ale lze také použít citrusový nebo jablečný materiál, tak jako sojový materiál.

Je-li jako výchozí materiál použita surovina na bázi cukrové řepy, je výhodné, že tímto materiálem jsou biologicky konzervované řízky cukrové řepy. Toho je typicky dosaženo snížením pH řízků na hodnotu 3,5 až 4,5 a následným uchováním za důsledného zamezení přístupu kyslíku. WO 99/10 384 popisuje způsob přípravy biologicky konzervovaných řízků cukrové řepy.

Biologicky konzervované řízky cukrové řepy jsou typicky získány zpracováním čerstvých, vylisovaných řízků cukrové řepy, z nichž byl vyextrahován cukr, a které mají obsah sušiny 20 až 25 hmotn. %, tak, že je pH sníženo na hodnotu okolo 4, výhodně vmícháním vhodného kyselého roztoku do řízků. Organické kyseliny, jako jsou kyselina mravenčí,

kyselina mléčná, kyselina octová, případně jejich směsi jsou účinné a snadné k použití. Jsou také komerčně dostupné směsi kyselin, jako je „Ensimax“, který zahrnuje kyselinu mravenčí a lignosulfonát, popřípadě silážní kyselina (AIV kyselina), která zahrnuje hlavně kyselinu mravenčí. Postup je s výhodou proveden bezprostředně po lisování, když řízky mají teplotu kolem 60 °C. Řízky ovlivněné kyselinou, které mají pH okolo 4, je výhodné vzduchotěsně zabalit, např. v plastových pytlech nebo plastových sudech a nechat stát, aby se stabilizovaly.

Způsob podle tohoto vynálezu může také jako surovinu použít sušené řízky cukrové řepy, přičemž sušené řízky jsou převedeny do roztoku hydrolýzou dle shora popsaného způsobu.

Tento vynález se dále vztahuje k pektinovým produktům a k pektinovým cukrům a oligomerům, získaným způsobem podle tohoto vynálezu.

V následujícím textu bude vynález popsán na detailních příkladech, které však neznamenají žádná omezení.

V následujících příkladech byl iontoměničem použitým pro chromatografická dělení iontoměnič Korela VO6C (vyrobený Finex Oy, Finland). Co se týče standardů kvality potravin, jedná se o gelový typ, sulfonovaný, příčně síťovaný (4 % DVB) polystyrendivinylbenzenový kopolymer, silně kyselý kationtový iontoměnič. Průměrná velikost částic iontoměniče je 0,25 mm a kapacita 1,08 mol/1 (1,08 equiv./dm³). Tento iontoměnič byl použit buď v H⁺ formě nebo ve formě kovu.

Iontoměnič použitý při iontové výměně byl silně kyselý kationtový iontoměnič, např., Purolite C 150 TL (vyráběný Purolite Ltd., USA) a slabě zásaditý aniontový iontoměnič, např., Purolite A 103 S (Purolite Ltd., USA). Kationtový iontoměnič byl regenerován kyselinou chlorovodíkovou a aniontový intoměnič hydroxidem sodným. Způsoby iontové výměny byly prováděny při teplotě místnosti.

Analytická stanovení použitá v příkladech jsou následující:

- kyselina galakturonová: spektrofotometrické stanovení (Blumenkrantz, N and Asboe-Hansen, G., New method for quantitative determination of uronic acids, Anal. Biochem., 54 (1937) 484 až 489) nebo HPLC;

mono- a oligosacharidy: HPLC, Pb⁺⁺’

- obsah sušiny a hmotnostní procenta roztoků: měření indexu lomu roztoků (Index Instruments Automatic Refaractometer GRP 11-37);

vodivost: standardní konduktometr (Radiometer CDM92);

- pH: Radiometer PHM92;

- molekulární hmotnost získaných polymerů: gelová permeační chromatografie.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Příprava hydrolyzátu řízků cukrové řepy, použitých jako výchozí materiál (pro frakcionaci v příkladech 2 až 5) (1) Příprava biologicky konzervovaných řízků cukrové řepy

Čerstvé, vylisované řízky cukrové řepy, neobsahující cukr (1000 kg), které mají obsah sušiny kolem 22 %, byly smíseny se 4 litry komerční směsi kyselin „Ensimax“ (výrobce Kemira Oy, Finland). Tato směs kyselin obsahovala 30 hmotn.% 85%kyseliny mravenčí, 20 hmotn.% 80%kyseliny octové a 50 hmotn.% 37%lignosulfonátu. V průběhu míšení byla teplota řízků cukrové řepy mezi 50 až 60 °C. Směs byla míchána šroubovým míchadlem po dobu 1 minuty. Směs byla potom zabalena do těsnících plastových pytlů, vyrobených z 0,25 mm silného polyethylenového folie. Řízky byly ponechány vychladnout a stabilizovat venku. Pytle byly skladovány také venku.

(2) Hydro lýza řízků cukrové řepy

Řízky cukrové řepy ovlivněné shora uvedeným způsobem a konzervované po čtyři měsíce byly použity jako výchozí materiál. Pro kyselou hydrolýzu bylo smíseno 17 kg řízků cukrové řepy (2,89 kg sušiny) s 70 litry deionizované vody (85 °C) a pH roztoku bylo nastaveno pomocí HC1 na hodnotu 1,5. Po třech hodinách byla hydrolýza zastavena ochlazením.

Po hydrolýze byl nerozpuštěný zbytek oddělen nejprve filtrací přes drátěné ocelové síto a následně byl roztok vyjasněn na pytlových a kotoučových filtrech. Obsah pevných látek ve filtrátu, t.j., koncentrace rozpustných látek ve vyjasněném filtrátu, byl 2,1 %. Rozpustné komponenty zahrnují vysokomolekulámí pektin, nízkomolekulámí arabinózové oligomery, L-arabinózu a soli.

Příklad 2

Chromatografické oddělení pektinu a polysacharidů na pryskyřici v Na⁺ formě a čištění pektinu ultrafiltrací.

Výchozím materiálem byl hydrolyzát řízků cukrové řepy získaný podobným způsobem, jaký je popsán v příkladu 1, s výjimkou, že hydrolýza byla provedena HNO₃. Tento hydrolyzát obsahoval 2,8 % sušiny.

Tento hydrolyzát byl chromatograficky dělen na koloně obsahující sulfonovaný polystyren-divinylbenzenový kopolymer se stupněm příčného síťování 4 %. Chromatografické dělení bylo provedeno za následujících podmínek: iontoměnič vé formě Na⁺, průměrný průměr částeček pryskyřice 0,25 mm, výška náplně iontoměniče 1,7 m, průměr kolony 9,5 cm, teplota 65 °C, obsah náplně 11,9 1, průtok 50 ml/min., objem naneseného hydrolyzátu 1000 ml, pH naneseného roztoku 1,5, vodivost naneseného roztoku 12,3 mS/cm, koncentrace sušiny v naneseném roztoku 2,8 % a eluční činidlo voda.

Výsledky tohoto chromatografického dělení jsou uvedeny na obr. 1. První frakce spojená od 4 zádržných objemů do 6 obsahovala kyselinu polygalakturonovou (pektin) a ionizované molekuly (soli). Nízkomolekulární sacharidy byly naopak ve druhé frakci, obsahující zádržné objemy 7 až 10.

Čistý pektin byl získán z pektinové frakce (objemy 4 až 6) oddělením solí ultrafiltrací. Ultrafiltrace byla provedena na AN620 polyakrylnitrilové membráně (výrobce PCI) při teplotě 50 až 60 °C. Dělící řez této membrány byl 25 000 Da.

Získaný permeát obsahoval soli a ostatní nízkomolekulární komponenty a koncentrát obsahoval vysokomolekulární pektin. Koncentrace pevných látek v koncentrátu byla 4 až 5 %.

Příklad 3

Chromatografické dělení pektinu a polysacharidů na iontoměniči v H⁺ formě a čištění pektinu iontovou výměnou

Hydrolyzát řízků cukrové řepy použitý jako výchozí materiál byl připraven podobným způsobem, jako je popsán v příkladu 1, s výjimkou, že hydrolýza byla provedena s HNO₃. Obsah sušiny v hydrolyzátu byl 1,9 %. Iontoměnič použitý při chromatografii byl podobný jako v příkladu 2, s výjimkou, že byl ve formě H⁺.

- 13 Chromatografické dělení bylo provedeno stejně jako v příkladu 2, s výjimkou, že vodivost roztoku byla 7,5 mS/cm a pH 2,0.

Výsledky tohoto chromatografického dělení jsou uvedeny na obrázku 2.

Kyselina polygalakturonová (pektin) a soli byly eluovány v první frakci obsahující zádržné objemy 4 až 7,5. Nízkomolekulámí cukry byly eluovány v objemech 8 až 10.

Pektinová frakce eluovaná z kolony byla dále čištěna odstraněním solí iontovou výměnou použitím kombinace silně kyselého měniče kationtů a slabě bazického měniče aniontů. Silně kyselým měničem kationtů byl Purolite C 150 TL a slabě bazickým měničem aniontů byl Purolite A 103 S. Kombinace měniče kationtů a měniče aniontů odstranila z roztoku jak kationty, tak i anionty. Byl získán roztok vyčištěného pektinu.

Příklad 4

2+

Chromatografické oddělení pektinu a polysacharidů na pryskyřici v Ca formě Hydrolyzát řízků cukrové řepy použitý jako výchozí materiál byl připraven podobným způsobem jako v příkladu 1, s výjimkou, že hydrolýza byla provedena s kyselinou sírovou. Získaný hydrolyzát byl neutralizován na pH 4,0. lontoměnič pro chromatografii byl stejný jako v příkladu 2, s výjimkou, že byl v Ca formě.

Chromatografické dělení bylo provedeno ve stejných podmínkách jako v příkladu 2, s výjimkou, že konduktivita hydrolyzátu byla 5,3 mS/cm, pH bylo 4 a průtok 50 ml/min.

Výsledky jsou uvedeny na obrázku 3. Frakce, která byla eluována první, objemy 3,5 až 5,5, obsahovala většinu pektinu, další frakce, objemy 5,5 až 7,5, obsahovala soli a třetí frakce, objemy 8 až 10, obsahovala cukry. Tento způsob poskytl čistý pektin a čistý cukerný roztok obsahující L-arabinózu.

Pektinová frakce byla koncentrována a pektin byl vysušen rozprášením.

Cukerný roztok byl koncentrován na sirup s obsahem sušiny od 50 do 60 %. Takto získaný sirup může být použit jako takový, např. jako aromatický prekurzor nebo může být dále dělen.

Příklad 5

Dělení pektinu a polysacharidů na měniči iontů v Al³⁺ cyklu

Hydrolyzát řízků cukrové řepy připravený podobným způsobem jako v příkladu 1 (hydrolýza byla provedena s kyselinou sírovou při pH 1,5 a teplotě 75 °C po 2,5 hodiny) byl

- 14použit jako výchozí materiál. Tento hydrolyzát byl deionizován na měniči iontů IMAC C 16 (kationtový měnič) regenerovaném v H⁺ formě. Kationtový měnič byl neutralizován KOH na hodnotu pH 2,9. Obsah sušiny v hydrolyzátu, zjištěný refraktometricky, byl 1,6 % a jeho vodivost byla 8,6 mS/cm.

Chromatografické dělení bylo provedeno na koloně 1 m vysoké o průměru 4,5 cm, obsahující 0,75 I pryskyřice Korela VO6C (4 % DVB, průměr částic 0,25 mm). Objem vzorku byl 80 ml.

lontoměnič byl regenerován, převeden do formy H⁺ třemi objemy 5%HC1 (hmotn.%) a promyt deionizovanou vodou. Převedení do formy Al³⁺ bylo provedeno nejprve třemi objemy roztoku 10%síranu hlinitého (hmotn.%) při průtoku jednoho objemu pryskyřice za hodinu a následně, tou samou rychlostí, 1,5 objemy 10%roztoku síranu hlinitého (hmotn.%) o pH 1,5. Pryskyřice byla promyta deionizovanou vodou (8 až 10 objemů).

Teplota při chromatografickém dělení byla 70 °C a průtok 13 ml/min. Pektinový hydrolyzát byla zahřát na teplotu dělení před nanesením na kolonu. Se sběrem frakcí bylo započato 15 minut po nanesení pektinového hydrolyzátu na kolonu a vzorky byly odebírány v jednominutových intervalech. Výsledek dělení je uveden na obrázku 4.

Z obrázku je zřejmé, že vysokomolekulární pektinový materiál, důsledkem molekulárního síta , je eluován se zádržným objemem 0,3 až 0,5 1. Křivka vodivosti naznačuje, že většina iontů roztoku nasazeného na kolonu je eluována mezi 0,5 až 0,8 1. Zádržný objem monosacharidů je mezi 0,4 až 0,7 1.

Oddělení pektinového materiálu a iontů bylo podobné jako při použití měniče iontů ve formě Ca²⁺ , ale pektin a ionty byly mnohem lépe odděleny, tj., rozdělení na pryskyřici ve formě Al³⁺ bylo mnohem lepší.

Příklad 6

Dělení pektinu z citrusů a pektinu z jablek

Roztok obsahující směs citrusového a jablečného pektinu byl použit jako výchozí materiál. Roztok byl připraven rozpuštěním 0,5 g komerčního preparátu pektinu H&F Instant CJ204 (výrobek Herbstreich & Fox KG) a 0,5 g pektinového preparátu Herbapekt SF01 (výrobek Herbstreich & Fox KG), s přídavkem 0,5 g glukózy a 0,5 g síranu sodného.

Chromatografické dělení bylo provedeno za podobných podmínek jako v příkladu 5.

- 15 Tyto výsledky jsou uvedeny na obrázku 5 a dokazují, že i surovina z jablek a šťávy citrusů může být použitím způsobu podle tohoto vynálezu rozdělena na pektinové frakce a solné frakce.

Odborníkovi je zřejmé, že s pokroky technologie bude možno základní myšlenku tohoto vynálezu doplňovat mnoha různými způsoby. Tento vynález a jeho uspořádání tedy nijak nejsou omezeny shora popsanými příklady, nýbrž mohou se pohybovat v rozsahu patentových nároků.

Průmyslová využitelnost

Pektinové preparáty připravené způsobem podle vynálezu jsou použitelné v potravinářském průmyslu, například jako stabilizační, zahušťující a želírující prostředky ve výrobcích z ovoce a v kysaných mléčných výrobcích.

Claims (28)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob zpracování rostlinného materiálu obsahujícího pektin, který je ve formě vodného roztoku obsahujícího pektin, vyznačující se tím, že roztok obsahující pektin se nanese na chromatografickou kolonu obsahující měnič kationtů a rozdělí se na frakci, která má vyšší obsah pektinu než má roztok obsahující pektin, nanesený na chromatografickou kolonu a na nejméně jednu další frakci, přičemž elučním činidlem je voda.
2. 2. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že se chromatografickým dělením získá kromě pektinové frakce nejméně jedna další frakce, která obsahuje frakci s vyšším obsahem solí než roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu.
3. 3. Způsob podle patentového nároku 1, v y z n a č u j í c í se tím, že se chromatografickým dělením získá kromě pektinové frakce nejméně jedna další frakce, která obsahuje frakci s vyšším obsahem solí než roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu a frakci nebo frakce, které mají vyšší koncentraci pektinových cukrů nebo pektinových oligomerů, než roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu.
4. 4. Způsob podle patentového nároku 1, vyznačující se tím, že se chromatografickým dělením získá kromě pektinové frakce nejméně jedna další frakce, která obsahuje frakci nebo frakce s vyšší koncentrací pektinových cukrů nebo pektinových oligomerů, než roztok obsahující pektin, který byl nanesen na chromatografickou kolonu.
5. 5. Způsob podle kteréhokoliv z nároků laž 4, vyznačující se tím , že chromatografické dělení se provede na kationtovém měniči iontů pracujícím na principu molekulárního síta, iontové výluky a nebo iontového zbrzdění.
6. 6. Způsob podle kteréhokoliv z nároků laž3, vyznačující se tím, že chromatografické dělení se provede na měniči kationtů ve formě vícemocného kovu.
7. 7. Způsob podle nároku 6, v y z n a č u j í c í s e t í m , že se provede chromatografické dělení na měniči kationtů ve formě vícemocného kovu, kde tímto kovem je Ca²⁺ nebo Al³⁺.
8. 8. Způsob podle nároků 1 až 4, v y z n a č u j í c í se tím, že chromatografické dělení se provede na měniči kationtů ve formě H⁺.
9. 9. Způsob podle nároku 1 až 4, vyznačující se t í m , že chromatografické dělení se provede na měniči kationtů ve formě Na⁺.
10. 10. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 6 až 9, vyznačující se t í m , že chromatografické dělení se provede na silně kyselém měniči kationtů.
11. 11. Způsob podle nároku 10, vyznačující se tím, že chromatografické dělení se provede na měniči kationtů, kde měničem kationtů je příčně síťovaný styrendivinylbenzenový kopolymer.
12. 12. Způsob podle nároku 11, vyznačující se tím, že chromatografické dělení se provede na měniči iontů, který má síťování 3 až 12 % DVB, výhodně 4 až 8 % DVB.
13. 13. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 12, vyznačující se t í m, že chromatografické dělení se provede na měniči iontů o velikosti částeček 0,1 až 0,2 mm, výhodně 0,2 až 0,4 mm.
14. 14. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se na chromatografickou kolonu nanese roztok obsahující pektin, který má obsah sušiny 1 až 20 %, výhodně 2 až 10 %, nej výhodněji 1,5 až 5 %.
15. 15. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se t í m, že se na chromatografickou kolonu nanese roztok obsahující pektin, jehož pH je menší než 5, s výhodou menší než 4 a nejvýhodněji mezi 1,5 až 3.
16. 16. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se t í m, že chromatografické dělení se provede při teplotě 40 až 90 °C, výhodně při 50 až 80 °C, nejvýhodněji při 65 až 80 °C.
17. 17. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se tím, že se použije iontové výměny po chromatografickém dělení.
18. 18. Způsob podle nároku 17, vyznačující se tím, že se použije iontová výměna ve spojení silně kyselého měniče kationtů a slabě bazického měniče aniontů.
19. 19. Způsob podle kteréhokoliv z nároků lažló, vyznačující se tím, že se použije také membránová filtrace před nebo po chromatografickém dělení.
20. 20. Způsob podle nároku 19, vyznačující se tím, že se jako membránová filtrace použije ultrafiltrace.
21. 21. Způsob podle nároku 22, vyznačující se t í m, že se provede ultrafiltrace při dělícím řezu 1000 až 30 000 Da.
22. 22. Způsob podle kteréhokoliv z nároků lažló, vyznačující se tím, že se použije adsorbentu před nebo po chromatografickém dělení.
23. 23. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se t í m, že se získaný pektin chemicky modifikuje.
24. 24. Způsob podle nároku 23, vyznačující se tím, že se pektin příčně síťuje.
25. 25. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se t í m, že se získaný roztok pektinu usuší.
26. 26. Způsob podle kteréhokoliv z předcházejících nároků, vyznačující se t í m, že se rostlinný materiál obsahující pektin, použitý jako surovina, získá z řízků cukrové řepy.
27. 27. Způsob podle nároku 26, vyznačující se t í m, že se jako surovina použijí biologicky konzervované řízky cukrové řepy, získané snížením pH řízků na hodnotu 3,5 až 4,5 a uchováváním řízků důsledně za nepřístupu kyslíku.
28. 28. Způsob podle kteréhokoliv z nároků 1 až 25, vyznačující se t í m, že se rostlinný materiál obsahující pektin získá ze šťávy citrusů nebo jablek.