УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ СПОСОБ ВОДНО-ФЕРМЕНТАТИВНОГО ДЕГУММИРОВАНИЯ РАСТИТЕЛЬНЫХ МАСЕЛ
IMPROVED METHOD FOR WATER-ENZYMIC DEGUMMING OF VEGETABLE OILS

Данное изобретение касается способа ферментативного дегуммирования триглицеридов, более конкретно сырых растительных масел, при котором в неизменном состоянии сохраняются фосфатиды. Предмет этого изобретения также включает способ снижения содержания масла в камеди растительного масла или извлечения лецитина из растительных масел, в частности, рапсового и соевого масла.
Сырые растительные масла содержат фосфатиды, содержащие белок и углеводы вещества, камеди и коллоидные соединения, которые резко снижают продолжительность хранения масла. Поэтому эти вещества должны удаляться.
Соответствующие нежелательные вещества удаляются при рафинировании растительных масел. Различают химическое и физическое рафинирование. Химическая очистка состоит из процессов 1) дегуммирования, 2) нейтрализации, 3) отбеливания и 4) устранения запаха. При дегуммировании из масла удаляются фосфолипиды («камеди») и ионы металлов. Нейтрализация служит для извлечения жирных кислот. При отбеливании удаляются красители, дополнительные ионы металлов и остаточные камеди. Устранение запаха представляет собой перегонку с водяным паром, при которой удаляются дополнительные соединения, которые придают маслу аромат и вкус. При физическом рафинировании в конце процесса очистки наряду с устранением запаха выполняется снижение кислотности.
2+
2+
Дегуммирование масла может быть осуществлено экстракцией фосфолипидов с водой, или водным раствором, или с кислотой, образующей комплекс с ионами Саи Mg, такой как лимонная кислота или фосфорная кислота. В этом случае часто вначале выполняется водный процесс, известный как предварительное осмоление, в целях удаления растворимых в воде фосфолипидов. Они упоминаются как гидратируемые фосфолипиды.
Тема гидратируемых и негидратируемых фосфолипидов описана, например, в Nielsen, К. "Composition of difficultly extractable soy bean phosphatides" («Состав трудно экстрагируемых фосфатидов соевых бобов»), J. Am. Oil. Chem. Soc. 1960. 37. 217-219 и A.J. Dijkstra "Enzymatic degumming" («Ферментативное дегуммирование»), Eur. J. Lipid Sci. Technol, 2010, 112, 1178-1189, где обсуждаются, в частности, фосфатидилхолин и фосфатидилинозитол. На известном уровне техники обработка разбавленными водными растворами кислот, способных к образованию комплексов с магнием и кальцием, таких как лимонная кислота или фосфорная кислота, приводит к преобразованию негидратируемых фосфолипидов в гидратируемые фосфолипиды. Следующий вариант упоминается как «щелочная рафинация». Этот способ применяется для удаления из масла по мере возможности всех фосфолипидов вместе с жирными кислотами в свободном состоянии. Этот способ описан, например, в WO 08/094847.
Следующий недостаток стандартных способов дегуммирования масла заключается в том, что и предварительное дегуммирование в водной среде, и обработка водными растворами кислот приводят к потерям масла, которые вызываются тем, что перенесенные в воду фосфолипиды являются эмульгаторами, которые эмульгируют небольшие порции растительного масла в водной фазе, вызывая потери растительного масла.
Способ, именуемый «ферментативным дегуммированием», избегает некоторых недостатков существующих способов или же улучшает процесс экстракции. На известном уровне техники описано ферментативное дегуммирование с применением фосфолипаз, в частности, фосфолипаз А1 и А2, В, или фосфолипазы С, или комбинации фосфолипаз.
Следующим вариантом ферментативного дегуммирования масла является ферментативная обработка отделенной фазы камеди, после которой масло дегуммировалось согласно общепринятым способам, например, с водой и/или лимонной кислотой. С помощью этого способа могут быть получены дополнительные ценные сырьевые материалы, такие как лецитин.
При извлечении лецитина в целях применения в пищевых продуктах или кормах для животных лецитин извлекается из водного раствора, получаемого предварительным дегуммированием растительного масла в водной среде. При этом способе вода удаляется с помощью пленочного испарителя.
На известном уровне техники обезжиривание сырого лецитина по существу достигается посредством экстракции ацетоном, как описано, например, в WO 94/01004. Обезжиривание сырого лецитина требуется для большинства применений, когда предполагается использование лецитина в качестве эмульгатора, поскольку присутствие масла снижает эмульгирующую способность, а также уменьшает содержание действующего лецитина.
При использовании в качестве компонента корма в некоторых случаях также предпочтительно обезжиривание сырого лецитина.
Настоящее изобретение в качестве своей цели принимает усовершенствование дегуммирования триглицеридов таким образом, чтобы в отделенной камеди оставалось меньше масла и в то же самое время фосфолипиды сохраняли неизменной их химическую структуру и, следовательно, свои эмульсионные свойства. В этой связи одна цель данного изобретения состоит в увеличении выхода масла.
Следующая цель изобретения должна обеспечить способ извлечения лецитина из триглицеридов, в частности, сырого соевого, подсолнечного или рапсового масла, с высоким выходом и без химического изменения лецитина, при котором содержание масла в извлекаемом лецитине настолько низко, насколько это возможно, другими словами, способ обезжиривания лецитина или снижения содержания масла в камеди растительного масла.
Данная цель достигается с помощью способа ферментативного дегуммирования триглицеридов или снижения содержания масла в камеди растительного масла, которая накапливается в процессе дегуммирования масла, при этом указанный способ содержит следующие этапы.
Во-первых, триглицерид или камедь растительного масла, которая накапливается при дегуммировании масла на этапе а), приводится в контакт с композицией, которая содержит по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент, при этом данный по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент не демонстрирует фосфолипазной или ацилтрансферазной активности, а композиция не содержит фосфолипазу или ацилтрансферазу.
После этого в тех случаях, когда в качестве исходного материала применяются триглицериды, на этапе b1) от триглицеридов отделяются камеди. Предпочтительно, чтобы используемые триглицериды были сырым растительным маслом.
В качестве варианта, вместо триглицеридов может применяться камедь растительного масла, которая накапливается в процессе дегуммирования растительных масел, вне зависимости от того, появляется ли она при дегуммировании согласно общепринятому способу или способу согласно изобретению. Камедь растительного масла приводится в контакт с расщепляющим гликозиды ферментом согласно этапу а) и далее разделяется на водную, содержащую лецитин фазу, и фазу, содержащую масло, согласно этапу b2), который выполняется аналогично этапу b1). Фаза камеди или камедь растительного масла применяются, в частности, при извлечении лецитина.
«Ферментативная активность» в объеме настоящего изобретения определяется как химическая реакция, катализируемая одним или несколькими каталитическими белками (ферментами). При этой реакции ферментный субстрат преобразуется в один или несколько продуктов. Некоторые ферменты или композиции ферментов обладают одним или даже несколькими видами ферментативной активности. Например, даже чистый фермент может катализировать более одной реакции (преобразование субстрата в продукт(-ы)) и поэтому имеет более одного вида ферментативной активности. Эти активности подразделяются на упоминаемые в качестве «первичной активности» и «вторичной активности». Ферментативная активность связана со скоростью реакции. Это показывает, сколько активного фермента содержится в композиции фермента. Единицей ферментативной активности является ферментная единица (U), с 1 U, определяемой как количество фермента, которое при данных условиях преобразует один микромоль субстрата в минуту: 1 U=1 мкмоль/мин.
Обеспечивающая расщепление фосфолипидов вторичная активность определяется в настоящем изобретении таким образом, что содержание свободных жирных кислот в течение времени реакции в 4 час в относительном выражении увеличивается не более чем на 10%, предпочтительно не более чем на 8% и особенно предпочтительно не более чем на 5%. Эти величины относятся к относительному увеличению концентрации жирной кислоты, которая определяется как процентная доля жирных кислот в свободном состоянии (FFA) в представлении олеиновой кислоты относительно общего содержания жирных кислот. Определение жирных кислот в свободном состоянии (FFA) описано в разделе «Методики».
Вторичная активность расщепления фосфолипидов ниже 5% не определяется в объеме настоящего изобретения в качестве вторичной активности, но находится в диапазоне обычного разброса измерений.
Обеспечивающая расщепление фосфолипидов первичная активность определяется в настоящем изобретении таким образом, что содержание свободных жирных кислот в течение времени реакции в 4 час увеличивается более чем на 10%, предпочтительно более чем на 12% и особенно предпочтительно более чем на 15%. Эти величины относятся к относительному увеличению концентрации жирной кислоты, которая определяется как процентная доля жирных кислот в свободном состоянии (FFA) в представлении олеиновой кислоты относительно общего содержания жирных кислот.
Вторичная активность фосфатазы (гидролиз фосфатной эфирной связи) определяется в настоящем изобретении таким образом, что содержание жирных кислот в свободном состоянии в течение времени реакции в 4 час увеличивается не более чем на0%, предпочтительно не более чем на 8% и особенно предпочтительно не более чем на 5%. Эти величины относятся к относительному увеличению концентрации жирной кислоты, которая определяется как доля жирных кислот в свободном состоянии (FFA) в представлении олеиновой кислоты относительно общего содержания жирных кислот. Определение жирных кислот в свободном состоянии (FFA) описано в разделе «Методики».
Вторичная активность фосфатазы (гидролиз фосфатной эфирной связи) ниже 5% в объеме настоящего изобретения определяется не как вторичная активность, а как находящаяся в диапазоне обычного разброса измерений.
Первичная активность фосфатазы (гидролиз фосфатной эфирной связи) определяется в настоящем изобретении таким образом, что содержание жирных кислот в свободном состоянии в течение времени реакции в 4 час увеличивается более чем на 10%, предпочтительно более чем на 12% и особенно предпочтительно более чем на 15%. Эти величины относятся к относительному увеличению концентрации жирной кислоты, которая определяется как процентная доля жирных кислот в свободном состоянии (FFA) в представлении олеиновой кислоты относительно общего содержания жирных кислот.
Термин «триглицериды» понимается как относящийся к триэфирам глицерина с жирными кислотами, которые представляют собой основной компонент натуральных жиров и масел вне зависимости от их растительного или животного происхождения. Триглицериды включают растительные или животные жиры и масла, а также их смеси как в виде смесей таких жиров и масел, так и в виде смесей с синтетическими или модифицированными жирами и маслами.
Термин «растительное масло» понимается как относящийся к любому маслу растительного происхождения. Предпочтительные масла в понимании настоящего изобретения являются соевым маслом, рапсовым маслом, подсолнечным маслом, оливковым маслом, пальмовым маслом, маслом ятрофы, рыжиковым маслом или хлопковым маслом. Кроме того, растительное масло в смысле настоящего изобретения также включает смеси различных растительных масел друг с другом, а также смеси растительного масла с животными, и/или синтетическими, или модифицированными жирами и маслами. В объеме настоящего изобретения термин «растительное масло» включает сырое, предварительно обработанное и предварительно дегуммированное растительное масло.
В данном случае термин «сырое» относится к тому факту, что такое масло еще не подвергалось обработке на этапах дегуммирования, нейтрализации, отбеливания и/или устранения запаха. В объеме настоящего изобретения также возможны применение или предварительная обработка смеси из нескольких сырых масел, например, ферментами обрабатываются предварительно дегуммированные и/или предварительно подготовленные масла.
В объеме настоящего изобретения термины «фаза лецитина» / «фаза камеди» / «камеди» / «камедь растительного масла» понимаются как относящиеся ко всей группе веществ, которые после обработки содержащим кислоту и/или водным раствором осаждаются из масла в виде тяжелой фазы (Michael Bokisch: "Fats and Oils Handbook" («Справочник по жирам и маслам), AOCS Press, Champaign, Иллинойс, 1998, страницы 428-444). Данные термины в объеме настоящего изобретения применяются как синонимичные. Применение этой камеди растительного масла в качестве загружаемого материала особенно важно для извлечения лецитина, так как лецитин является существенным компонентом камеди растительного масла.
Термин «снижение содержания масла в камеди растительного масла» в объеме настоящего изобретения понимается как относящийся к выделению масла из используемой камеди растительного масла, которая таким образом «обезжиривается». В зависимости от соответствующей точки зрения основное внимание обращается или на извлечение масла, и/или на извлечение содержащей лецитин фазы камеди.
Термин «предварительное дегуммирование» или «влажное дегуммирование» понимается как относящийся в объеме настоящего изобретения к обработке сырого масла водой или водным раствором кислоты в целях удаления из масла растворимых в воде фосфолипидов в максимально возможной степени. Эти два термина в объеме настоящего изобретения применяются как синонимичные. В ходе предварительного или влажного дегуммирования после добавления кислоты при необходимости также может быть добавлена щелочь в целях нейтрализации кислоты. Разделение водной фазы происходит перед добавлением фермента. После предварительного дегуммирования содержание фосфора, составляющее в сыром масле приблизительно 500-1500 ч./млн, в подвергнутом предварительному дегуммированию масле, например, соевом и рапсовом, снижается до менее 200 ч./млн. Посредством предварительного дегуммирования возможно, например, извлечение лецитина из полученной фазы камеди или переработка фазы камеди в качестве пищевого вещества. Однако недостатком отделения водной фазы или уменьшения содержания фосфора является низкий выход масла. Преобразованные в водную фазу фосфатиды обладают эмульгирующим действием и заставляют порцию масла в водной фазе переходить в эмульгированное состояние и отделяться вместе с указанной фазой. Вслед за этим масло может быть подвергнуто дальнейшей ферментативной обработке, при этом необходимо отделение ферментов на последующем этапе.
Термин «предварительная подготовка» масла в объеме настоящего изобретения понимается как относящийся к добавлению к сырому маслу воды или водного раствора кислоты. После этого посредством добавления щелочи, такой как раствор гидроксида натрия, рН доводится до уровня, при котором происходит последующая ферментативная реакция. В идеальном случае устанавливается оптимальное для ферментативной реакции значение рН. Однако сопровождается это не отделением водной фазы, а немедленным добавлением ферментов. Поэтому камеди временно остаются в масле или эмульсии. Отделения водной фазы и, следовательно, ферментов не происходит до тех пор, пока ферменты не подействуют на (при необходимости предварительно подготовленное) сырое масло.
Триглицерид в смысле настоящего изобретения предпочтительно является растительным маслом и особенно предпочтительно сырым растительным маслом или же смесью растительного и животного масла.
В частности, по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент демонстрирует субстратную специфичность, такую, при которой он расщепляет α-1,4-гликозидную, α-1,2-гликозидную, α-1,6-гликозидную, β-1,2-гликозидную, β-1,3-гликозидную, β-1,4-гликозидную и/или β-1,6-гликозидную связи. Предпочтительно расщепляются α-1,4-гликозидные связи.
В одном воплощении по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент выбирается из амилаз, амилоглюкозидаз, изоамилаз, глюкоамилаз, глюкозидаз, галактозидаз, глюканаз, пуллуланаз, арабиназ, ламинараназ, пектолиаз, маннаназ, декстраназ, пектиназ, целлюлаз, целлобиаз и ксиланаз.
В частности, амилаза является α-амилазой и предпочтительно α-амилазой, которая специфично расщепляет α-1,4-гликозидные связи.
Особенно предпочтительно, если а-амилаза является полученной из следующих компонентов: Bacillus spp., Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus stearothermophilus, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Aspergillus oryzae или Aspergillus niger, и при этом, в частности, Bacillus subtilis и Aspergillus oryzae.
В одном предпочтительном воплощении в качестве фермента применяется единственная α-амилаза, в частности, α-амилаза, полученная из Bacillus subtilis и/или Aspergillus oryzae.
Согласно одному предпочтительному воплощению, ряд расщепляющих гликозиды ферментов может находиться в фиксированной на подложке форме.
Масла, предпочтительно применяемые в настоящем изобретении, представлены соевым маслом, рапсовым маслом, подсолнечным маслом, оливковым маслом, пальмовым маслом, маслом ятрофы, маслом из рисовых отрубей, арахисовым маслом, рыжиковым маслом или хлопковым маслом, в особенности соевым маслом, рапсовым маслом или подсолнечным маслом. При способе согласно изобретению в соответствии с этапами а) и b1) эти масла предпочтительно должны применяться в сырой форме (сырые масла).
В качестве варианта, вместо непосредственно растительного масла на этапах а) и b2) может применяться камедь растительного масла, получаемая отделением из вышеупомянутого масла. Это позволяет извлекать масло, содержащееся в фазе камеди, а также делает возможным обезжиривание содержащегося в камеди лецитина.
Одно воплощение касается применения расщепляющего гликозиды фермента в целях увеличения выхода масла при выполнении дегуммирования масла в водной среде, а также снижения содержания масла в фазе лецитина при обезжиривании лецитина.
Ферменты, применяемые при способе согласно данному изобретению, являются ферментами, которые не представлены расщепляющими фосфолипиды ферментами.
«Расщепляющий фосфолипиды фермент» может быть фосфолипазой, способной к расщеплению либо остатка жирной кислоты, либо фосфатидильного остатка, либо концевой группы фосфолипида. Соответствующие примеры представлены фосфолипазой А1, фосфолипазой А2, фосфолипазой С, фосфолипазой В, фосфолипазой D или смесью фосфолипаз. Кроме того, это также может быть фермент, именуемый ацилтрансферазой, у которого расщепление остатка жирной кислоты связано с переносом этого остатка, сопровождаемым этерификацией со свободным стеролом в жировой фазе. В объеме настоящего изобретения «расщепляющий фосфолипиды» фермент относится к любому ферменту, который демонстрирует фосфолипазную активность и/или ацилтрансферазную активность в качестве его первичной или вторичной активности.
В одном особенно предпочтительном воплощении композиция не содержит расщепляющих фосфолипиды ферментов.
Кроме того, предпочтительным в объеме настоящего изобретения является отсутствие применения каких-либо фосфатаз, то есть ферментов, обладающих фосфатазной активностью в качестве их первичной активности, или дополнительных ферментов, в частности, расщепляющих гликозиды ферментов, обладающих фосфатазной активностью в качестве их первичной или вторичной активности. В объеме настоящего изобретения понимается, что термин «фосфатазная активность» означает способность фермента расщеплять фосфорную кислоту из сложных фосфатных эфиров или полифосфатов.
В одном особенно предпочтительном воплощении композиция не содержит ферментов, которые демонстрируют фосфатазную активность.
Что касается расщепляющих гликозиды ферментов, согласно изобретению предпочтительными являются те, которые способны расщеплять α-1,4-гликозидные, α-1,2-гликозидные, α-1,6-гликозидные, β-1,2-гликозидные, β-1,3-гликозидные, β-1,4-гликозидные и/или β-1,6-гликозидные связи, например, амилазы, амилоглюкозидазы, изоамилазы, глюкоамилазы, глюкозидазы, галактозидазы, глюканазы, пуллуланазы, арабиназы, ламинараназы, пектолиазы, маннаназы, декстраназы, пектиназы, целлюлазы, целлобиазы и ксиланазы. В этом случае также может применяться комбинация из двух или более из вышеупомянутых расщепляющих гликозиды ферментов.
В этом случае ферменты также могут быть получены из любого желательного организма (например, выделенными из термофильного организма) или синтетического источника. Также в объеме настоящего изобретения возможно применение ферментов, которые относятся к одному и тому же типу, но являются полученными из различных источников или компонентов. Это также включает химерные составные белки, полученные рекомбинантными способами из двух или более различных компонентов, обладающих ферментативной активностью.
Кроме того, предпочтительны амилазы, в частности, α-амилазы, β-амилазы, γ-амилазы и изоамилазы, а также маннаназы.
Что касается амилаз и маннаназ, предпочтительными являются получаемые из Bacillus, Pseudomonas, или грибковых компонентов, или из поджелудочной железы млекопитающих, в частности, получаемые из Bacillus spp., Bacillus subtilis, Bacillus licheniformis, Bacillus megaterium, Bacillus amyloliquefaciens, Bacillus stearothermophilus, Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas fluorescens, Aspergillus oryzae, Aspergillus niger или Trichoderma reesei. Из манназ особенно предпочтительными являются получаемые из Trichoderma reesei.
Для дегуммирования соевого масла предпочтительно применяется α-амилаза, полученная из Bacillus spp. В частности, для дегуммирования рапсового масла предпочтительна α-амилаза, полученная из Bacillus subtilis или Aspergillus oryzae, особенно из Bacillus spp. или Aspergillus spp.
Триглицериды, предпочтительно сырые растительные масла, которые приводятся во взаимодействие с расщепляющими гликозиды ферментами (этап а) и затем разделяются на камеди и (дегуммированные) триглицериды, могут применяться в качестве исходного материала (этап b1).
В качестве альтернативного по отношению к триглицеридам варианта, в контакт с расщепляющим гликозиды ферментом (этап а) может быть приведена камедь растительного масла, полученная, например, с помощью общепринятого способа дегуммирования, такого как обработка с водой или водным раствором кислоты, и разделения затем на водную, содержащую лецитин, фазу и жировую фазу (этап b2). В случае разделения камеди растительного масла согласно общепринятому способу расщепляющий гликозиды фермент добавляется к камеди растительного масла после ее разделения, пока эта камедь растительного масла еще не была приведена во взаимодействие с ферментом согласно изобретению. Поэтому при использовании данного способа из камеди растительного масла могут быть извлечены и дополнительное масло, и обезжиренный лецитин.
Обычными для этих обоих альтернативных вариантов являются этапы способа, приводящие во взаимодействие исходные материалы с расщепляющим гликозиды ферментом и с последующим разделением на водную и масляную фазу, или, более кратко, извлечение ферментативным разделением не содержащего лецитин масла и не содержащего масло лецитина.
Преимущество описанного способа состоит в том, что в фазе лецитина содержится меньше масла и тем самым снижаются затраты на дальнейшую переработку, в частности, на последующее обезжиривание лецитина. В то же самое время увеличивается выход масла для дальнейшей обработки растительного масла, что также является выгодным.
В следующем предпочтительном воплощении ферментативная активность расщепляющих гликозиды ферментов выбирается в диапазоне от 0,01 до 6 единиц/г масла, предпочтительно от 0,1 до 3 единиц/г масла, особенно предпочтительно в диапазоне от 0,2 до 2,5 единиц/г масла и наиболее предпочтительно в диапазоне от 0,3 до 1 единицы/г масла. (Единица - международная единица измерения ферментативной активности; 1 единица соответствует преобразованию 1 мкмоль/мин субстрата.)
Например, при этом способе ферменты могут применяться в лиофилизированной форме или будучи растворенными в воде или в соответствующем ферментном буфере. Предпочтительные примеры включают 0,01-0,25 Μ нитратный буфер, рН 3,8-7,5 или 0,01-0,25 Μ ацетатный буфер, рН 3,8-7,5. В одном предпочтительном воплощении ферменты растворяются в воде или ферментном буфере и добавляются к сырому маслу. Для обеспечения лучшей растворимости ферментов, в частности, содержащих фосфолипиды смесей, также возможно добавление органических растворителей. Они применяются, например, при разделении фосфолипидов. Предпочтительно применение неполярных органических растворителей, таких как гексан, или ацетон, или их смесей, предпочтительно в количестве от 1 до 30 масс. % (примеры возможных растворителей описаны в ЕР 1531182 А2).
В следующем предпочтительном воплощении один или несколько ферментов применяются в фиксированной на подложке форме. Предпочтительными материалами-носителями в объеме настоящего изобретения являются неорганические материалы-носители, такие как силикагели, осажденный диоксид кремния, силикаты или алюмосиликаты, и органические материалы-носители, такие как метакрилаты или ионообменные смолы. Преимущество фиксированных на подложке ферментов состоит в том, что они легче отделяются и/или показывают улучшенные возможности многократного применения.
С удивлением было найдено, что расщепляющие гликозиды ферменты согласно изобретению эффективно уменьшают объем камеди и эмульгируемость растительного масла в водных фазах. Это позволяет применять способ согласно изобретению особенно предпочтительным образом для дегуммирования сырого растительного масла или также для повторной переработки фазы камеди. Например, в этом случае фаза камеди может быть получена с помощью общепринятого способа дегуммирования или способа согласно изобретению, если он применяется для дегуммирования сырого растительного масла.
С удивлением было найдено, что в этом случае добавление ферментов позволяет увеличить скорость реакции при дегуммировании, уменьшить объем камеди и/или улучшить отделяемость образующейся фазы камеди.
«Приведение в контакт» может иметь место при способе согласно изобретению посредством любого известного специалистам в данной области способа, подходящего для целей данного изобретения. Предпочтительным способом приведения в контакт является смешивание сырого масла и расщепляющего гликозиды фермента.
После смешивания сырого масла с ферментом смесь сырого масла и фермента предпочтительно перемешивается с приведением таким образом компонентов в контакт. Особенно предпочтительно осуществление перемешивания лопастной мешалкой на 200-800 об/мин, предпочтительно 250-600 об/мин и наиболее предпочтительно 300-500 об/мин.
Во время такого контакта температура смеси предпочтительно находится в диапазоне от 15 до 99°С, более предпочтительно от 20 до 95°С, еще более предпочтительно от 30 до 80°С, аналогично предпочтительно от 35 до 80°С и особенно предпочтительно от 37 до 78°С. Согласно одному воплощению температура смеси во время этого процесса всегда выбирается такой, чтобы не превышалась температура денатурации ферментов, и температура смеси предпочтительно устанавливается по меньшей мере на 5°С ниже температуры денатурации ферментов или самой низкой температуры денатурации ферментов. В этом случае при использовании ферментов, выделенных из термофильных организмов, как правило, предпочтительны более высокие температуры. Если в объеме настоящего изобретения применяются один или несколько термостабильных ферментов, температура способа предпочтительно должна находиться в диапазоне от 60 до 120°С и более предпочтительно в диапазоне от 80 до 100°С. Применение термостабильных ферментов имеет то преимущество, что при этом может выбираться повышенная температура процесса, позволяя снизить вязкость растительного масла и сократить продолжительность процесса в целом благодаря увеличенной скорости реакции ферментов. Кроме того, предварительная подготовка, которая предпочтительно выполняется даже при повышенных температурах, устраняет необходимость в последующем охлаждении ниже наиболее низкой температуры денатурации применяемого фермента. В целом применение термостабильных ферментов, таким образом, укорачивает время процесса и уменьшает затраты.
В зависимости от того, как применяется лецитин, предпочтительно денатурировать ферменты, содержащиеся в отделенном лецитине, например, нагреванием лецитина в течение от 0,5 до 10 мин до температуры от 80 до 100°С в зависимости от применяемого фермента. В случае применения термостабильных ферментов необходимо обеспечить гарантию того, чтобы лецитин в процессе денатурации не подвергался чрезмерной тепловой нагрузке, поскольку в ином случае он приобретет неприглядный внешний вид или обесцветится, и, например, станет непригодным для пищевых применений.
В этом случае продолжительность контакта предпочтительно находится в диапазоне от 1 мин до 12 час, более предпочтительно от 5 мин до 10 час и еще более предпочтительно от 10 мин до 3 час.
Показатель рН смеси в течение контакта предпочтительно находится в диапазоне от 3 до 8 и особенно предпочтительно в диапазоне от 3,5 до 7,5.
Отделение камедей согласно этапу b) способа в соответствии с данным изобретением может осуществляться любым способом, известным специалистам в данной области и подходящим для целей изобретения. Однако предпочтительно отделение выполняется центрифугированием или фильтрацией с предпочтением центрифугирования. При центрифугировании происходит разделение фаз смеси, такое, при котором подвергнутое обработке растительное масло, камеди и композиция фермента оказываются в отдельных фазах, которые могут быть легко отделены друг от друга.
В одном предпочтительном воплощении от подвергнутого обработке масла отделяется фаза, содержащая камеди, и фаза, содержащая фермент для способа согласно изобретению. В этом случае особенно предпочтительно отделение фермента одновременно с камедями.
Следующее предпочтительное воплощение настоящего изобретения также касается описанного выше способа, содержащего, кроме того, этап
с) повторного приведения триглицеридов согласно этапу b1) в контакт с ферментным компонентом.
Это приведение в контакт предпочтительно происходит при тех же условиях, как и описанные выше для этапа а) способа согласно изобретению. В одном особенно предпочтительном воплощении ферменты перед их повторным приведением в контакт подвергаются регенерации или очистке.
В одном особенно предпочтительном воплощении сырое растительное масло перед его приведением в контакт с ферментом согласно этапу а) способа в соответствии с изобретением приводится в контакт с водой и/или кислотой. Предпочтительными кислотами в этом случае являются образующие комплексы с кальцием и магнием кислоты, индивидуально или в комбинации, такие как лимонная кислота и фосфорная кислота.
В следующем предпочтительном воплощении способа согласно изобретению до этапа а) способа выполняется процесс, именуемый предварительной подготовкой, при котором сырое масло на отдельном этапе способа смешивается с органической кислотой, предпочтительно лимонной кислотой, в количестве 200-2000 ч./млн. Температура смеси предпочтительно регулируется до величины от 35°С до 90°С и особенно предпочтительно от 48°С до 80°С. По истечении времени реакции от 5 мин до 2 час и предпочтительно от 15 мин до 1 час рН смеси доводится до 4-5 добавлением стехиометрического количества щелочного раствора, предпочтительно раствора гидроксида натрия, предпочтительно в количестве от 0,5 до 2 моль/л и особенно предпочтительно 1 моль/л. Это сопровождается не отделением водной фазы или раствора соли от жировой фазы, но выполнением этапа а) способа согласно изобретению.
В одном предпочтительном воплощении способа согласно изобретению до этапа а) сырое масло приводится в контакт с водой при температуре от 30°С до 90°С в течение времени от 5 до 240 мин и предпочтительно от 10 до 60 мин, при этом предпочтительной является температура от 35 до 90°С и особенно предпочтительной - температура от 40 до 90°С. В следующем возможном воплощении перед добавлением фермента температура увеличивается до температуры, которая является оптимальной для применяемого фермента. Подходящими являются температуры от 35 до 80°С и предпочтительно от 40 до 78°С, а также ферменты из термофильных организмов, то есть особенно устойчивые к нагреванию ферменты, что делает возможным применение температур от 80 до 100°С, при этом не требуется никакого снижения температуры между приведением сырого растительного масла в контакт с водой и приведением его в контакт с ферментом способа согласно изобретению. В следующем возможном воплощении далее отделяется водная фаза, например, центрифугированием.
Кроме того, в одном предпочтительном воплощении сырое масло подвергается предварительному дегуммированию. Приведение сырого растительного масла в контакт с водой или водным раствором кислоты, в частности, лимонной кислоты или фосфорной кислоты, предпочтительно осуществляется в объеме способа согласно изобретению при температуре от 30°С до 90°С в течение времени от 5 до 240 мин и предпочтительно от 10 до 120 мин, при этом предпочтительна температура от 35 до 90°С и особенно предпочтительна температура от 40 до 90°С. В следующем возможном воплощении далее отделяется содержащая кислоту или водная фаза, например, центрифугированием. В одном предпочтительном воплощении после обработки кислотой выполняется этап нейтрализации соответствующим основанием для достижения показателя рН от 3,5 до 8,0 и от 4 до 7. После этого от полученных камедей может быть отделено масло, например, центрифугированием или фильтрацией.
Перед добавлением ферментов температура реакции предпочтительно регулируется таким образом, чтобы она не превышала оптимальный для фермента температурный диапазон, чтобы не допускать денатурации фермента. Подходящими являются температуры от 35 до 80°С и предпочтительно от 40 до 78°С, а также ферменты из термофильных организмов, то есть особенно устойчивые к нагреванию ферменты, что делает возможным применение температур от 80 до 100°С, при котором не требуется никакого снижения температуры между приведением сырого растительного масла в контакт с водой и/или кислотой и приведением его в контакт с расщепляющим гликозиды ферментом. Увеличение теплостойкости также может быть достигнуто иммобилизацией ферментов из ферментных компонентов. Поскольку многие ферменты демонстрируют определенную терпимость к органическим растворителям (Faber К. "Biotransformations in Organic Chemistry" («Биотрансформации в органической химии»), (2001), Springer-Verlag, Heidelberg), в объеме настоящего изобретения ферментами могут обрабатываться масла или камеди, подвергнутые соответствующей предварительной обработке.
В особенно предпочтительных воплощениях, которые ни в коем случае не ограничивают объем настоящего изобретения, способ ферментативного дегуммирования триглицеридов настоящего изобретения содержит следующие этапы.
Основное воплощение 1).
a) приведение триглицеридов, предпочтительно выбираемых из сырого соевого масла, и/или сырого рапсового масла, и/или сырого пальмового масла, в контакт с композицией, содержащей по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент, предпочтительно фермент, который расщепляет α-гликозидные связи и, в частности, фермент, который расщепляет α-1,4-гликозидные связи, при этом данный по меньшей мере один расщепляющий гликозиды фермент не демонстрирует никакой фосфолипазной и никакой ацилтрансферазной активности, а композиция не содержит ни фосфолипазы, ни ацилтрансферазы;
b) отделение от триглицеридов камедей центрифугированием.
В этом случае особенно предпочтительно, чтобы композиция не содержала расщепляющего фосфолипиды фермента, при этом наиболее предпочтительно, чтобы композиция также не содержала никаких ферментов, обладающих фосфатазной активностью.
Основное воплощение 2).
Согласно основному воплощению 2, вместо сырого растительного масла в контакт с расщепляющим гликозиды ферментом приводится фаза камеди, отделенная общепринятым способом дегуммирования или способом согласно изобретению. Такой способ предпочтительно осуществляется в соответствии с воплощением 1). Этот способ делает возможным, например, извлечение из фазы камеди масла, содержащегося в фазе камеди, и выделение его оттуда; тем самым увеличивается выход масла.
В случаях, когда производится извлечение камеди растительного масла согласно общепринятому способу, например, с водой или с водным раствором кислоты, то после отделения (содержащей лецитин) фазы камеди к растительному маслу может быть добавлен фермент согласно настоящему изобретению для экстрагирования из камеди растительного масла дополнительных количеств масла. В этом случае слова «отделение (содержащей лецитин) фазы камеди» не относятся к этапу b2) способа согласно изобретению.
В отличие от основного воплощения 2) в основном воплощении 1) фермент согласно изобретению добавляется перед отделением фазы камеди от масла (этап b1). Эта ситуация ограничивается последовательностью этапов а) и b1).
Этапы процесса в воплощениях 1) и 2) идентичны, то есть а) приведение исходного материала, вне зависимости от того, является ли он (сырыми) триглицеридами или (полностью обезжиренной) камедью растительного масла, в контакт с ферментом согласно изобретению, и разделение смеси на водную фазу камеди и содержащую триглицериды жировую фазу в случае триглицеридов согласно этапу b1) или разделение на водную (содержащую лецитин) фазу и жировую фазу в случае камеди растительного масла из исходного материала согласно этапу b2). Данный способ также осуществляется согласно обоим воплощениям 1) и 2) на одном и том же оборудовании и согласно одним и тем же принципам. С помощью способа согласно изобретению возможно уменьшить объем камеди масла без применения расщепляющих фосфолипиды ферментов.
Методики
Определение выхода масла, содержания масла в фазе камеди и объема камеди Определение выхода масла, содержания масла в фазе камеди и объема камеди может быть проведено определением объема камеди согласно стандартизированным способам, таким как описанные в РСТ/ЕР 2013/053199. Кроме того, содержание масла камеди может быть определено отдельно согласно DIN ISO 659 после экстракции выделенной камеди в аппарате Сокслета.
Определение активности фосфолипазы
Для исключения фосфолипазной или ацилтрансферазной активности в ходе выполнения способа согласно изобретению было исследовано содержание в масле свободных жирных кислот в течение процесса дегуммирования. Это было проведено в соответствии с модифицированным стандартным методом N.G.D. С10 Американского общества изучения химии масел (American Oil Chemistry Society, (AOCS)) Ca 5a-40.
Для определения жирных кислот в свободном состоянии применяется установка FoodLab фирмы cdR (Италия), которая представляет собой самостоятельное компактное устройство для анализа со встроенным спектрофотометром; оно состоит из терморегулируемого инкубационного блока с 12 ячейками для кювет и тремя независимыми измерительными ячейками, каждая из которых может облучаться двумя пучками света с различными длинами волн.
После включения установки FoodLab для фотометрического определения количества жирных кислот в свободном состоянии (FFA) готовые к применению кюветы фирмы CDR подогреваются до 37°С, после чего в меню выбирается метод определения FFA и на кювете проводится холостое измерение. После этого в находящийся в измерительной кювете раствор, составленный из смеси различных спиртов, КОН и производных фенолфталеина, с помощью пипетки был отмерен необходимый объем растительного масла. В зависимости от содержания FFA количество используемого образца обычно составляет 2,5 пл для соевого масла и 1 пл для рапсового масла. Набранный объем образца растительного масла однократно отбрасывается, чтобы промыть пипетку, после чего набирается новый образец и отмеряется пипеткой в приготовленный измерительный раствор. После этого пипетка точно 10 раз промывается измерительным раствором, чтобы обеспечить возможно меньшие колебания объема образца масла. Далее пипеткой 10 раз вручную выполняются вращательные движения. Жирные кислоты в образце (при рН<7,0) реагируют с хромогенной фракцией и образуют цветное комплексное соединение, интенсивность окраски которого затем определяется при 630 нм в измерительной ячейке установки. Она выражается в единицах процентной доли содержания олеиновой кислоты и пропорциональна общей концентрации кислот в образце.
В ходе ферментативного дегуммирования на протяжении 4 час (относительное) увеличение концентрации жирных кислот в свободном состоянии в выражении содержания олеиновой кислоты и по отношению к общему количеству всех жирных кислот, как правило, составляет не более 10% и предпочтительно не более 8%. Определение выполняется в соответствии с модифицированным стандартным методом N.G.D. С10, AOCS Са 5а-40.
Увеличение концентрации жирных кислот в свободном состоянии в ходе ферментативного дегуммирования, например, соевого масла составляет не более чем, например, от 0,22 масс. % свободных жирных кислот до 0,24 масс. % свободных жирных кислот в выражении олеиновой кислоты и по отношению к общей массе жирных кислот при рН<7 и определении в соответствии с модифицированным стандартным методом N.G.D. С10, AOCS Са 5а-40 (см. таблицу 1).
Таблица 1 показывает увеличение концентрации жирных кислот в свободном состоянии в сравнении с ферментом согласно изобретению, измеренных тем же самым способом с добавлением расщепляющего фосфолипиды фермента, такого как фосфолипаза A1 (PLA1). В ходе реакции концентрация FFA увеличивается с 0,15 масс. % по истечении 10 мин реакции до 0,34 масс. % после 240 мин, обеспечивая относительное увеличение концентрации FFA в 126%.
Подобная ситуация наблюдается при ферментативном дегуммировании, например, рапсового масла (см. таблицу 2). Получаемая из Aspergillus амилаза согласно изобретению увеличивает концентрацию жирных кислот в свободном состоянии от 1,69 масс. % после 10 мин реакции до 1,71 масс. % после 240 мин с увеличением в относительном выражении лишь на 1,2%. Амилаза PET также увеличивает концентрацию жирных кислот в свободном состоянии от 1,76 масс. % после 10 мин до 1,79 масс. % после 180 мин, давая относительное увеличение концентрации FFA в 1,7%.
В отличие от этого расщепляющий фосфолипиды фермент PLA1 увеличивает концентрацию жирных кислот в свободном состоянии от, например, 1,76 масс. % после 10 мин до 2,22 масс. % после 240 мин, представляя относительное увеличение концентрации FFA в 26%.
Данные в таблицах 1 и 2 представлены в выражении процентов (масс. % доли) и показывают количество жирных кислот в свободном состоянии в пересчете на олеиновую кислоту относительно общего количества жирных кислот. Данные величины определены в соответствии с модифицированным стандартным методом N.G.D. С10, AOCS Са 5а-40.
Определение содержания кальция, магния и фосфора в растительных маслах.
Определение фосфора проводилось с помощью ICP согласно DEV Е-22.
Вариант 1
Предназначенное для обработки сырое масло в количестве от 400 до 600 г приливалось в 1000 мл DN 120 реактор Duran, и далее отбирались образцы для анализа. Масло в реакторе Duran нагревалось с помощью нагревательной плиты до температуры от 35 до 90°С, предпочтительно 48°С или особенно предпочтительно 80°С. После достижения необходимой температуры начиналась предварительная подготовка. С этой целью в масло отмерялось определенное в зависимости от количества масла количество разбавленной лимонной кислоты (например, 450 ч./млн, 1,372 мл). После этого смесь тщательно перемешивалась с помощью Ultraturrax в течение 1 мин. В качестве варианта, смесь может выдерживаться в течение 1 час при перемешивании со скоростью около 600 об/мин, чтобы обеспечить прохождение взаимодействия с кислотой. После этого добавляется определенное количество раствора гидроксида натрия (4 моль/л, остаточный объем до 3 об. %), меньшее, чем количество, добавляемое с кислотой и ферментом, и выдерживание продолжается еще в течение 10 мин при перемешивании. В ходе предварительной подготовки при 80°С перед добавлением фермента смесь охлаждается, например, до 50°С. Затем добавляется фермент, ферментная смесь или иммобилизат, предпочтительно растворенные в буфере. В смесь вводится фермент, для этой цели скорость мешалки может быть кратковременно увеличена (например, до 900 об/мин в течение 1 мин), после чего перемешивание продолжается на более низкой скорости. В конце реакции жировая фаза отделяется от фазы камеди центрифугированием и после экстракции в аппарате Сокслета определяется остаточный жировой компонент фазы камеди.
Вариант 2
В следующем воплощении к сырому маслу вместе с водной фазой в количестве от 0,05 до 5% (отношение массы к объему) добавляются расщепляющие гликозиды ферменты, индивидуально или в подходящей комбинации, в виде свободных ферментов или ферментов на носителе. Эмульсия, составленная из воды, ферментов и, в случае их применения, носителей фермента, а также масла, тщательно перемешивается. В идеальном случае температура реакции регулируется в диапазоне от 30 до 80°С и предпочтительно от 40 до 78°С. После этого дожидаются разделения фаз, твердые частицы осаждаются, или же они могут быть удалены стандартным способом, известным специалистам в данной области, таким как центрифугирование или фильтрация. В порядке доочистки остаточная камедь может быть удалена из масла с разбавленной кислотой (например, лимонной кислотой) или щелочным раствором, используя способ, известный специалистам в данной области как «дегуммирование».
Вариант 3
В одном следующем воплощении масляная камедь обрабатывается ферментами. Расщепляющие гликозиды ферменты добавляются к масляной камеди, получаемой способом, известным специалистам в данной области как «дегуммирование». Они могут быть растворены в водной фазе или суспендированы в органическом растворителе. Идеальным является терморегулирование загрузки в диапазоне от 20 до 70°С и предпочтительно от 35 до 60°С. Загрузка тщательно перемешивается до тех пор, пока не завершается процесс. Это может проверяться измерениями вязкости или визуально или же в ином случае растворением твердой фазы камеди. Центрифугирование позволяет добиться разделения фаз, в результате могут быть выделены индивидуальные фазы. Как правило, верхняя фаза состоит из полученного масла, средняя фаза состоит из фосфолипидов и донная фаза является водной фазой, содержащей ферменты. Посредством повторного использования водной фазы оказывается возможным рециклирование и повторное применение ферментов. В зависимости от содержания двухвалентных ионов может оказаться необходимой очистка масла или содержащей фермент водной фазы посредством добавления комплексообразующих реагентов перед последующим использованием таких ионов.
Вариант 4
В следующем воплощении сырое масло нагревается до высокой температуры, в частности от 70 до 100°С и более конкретно от 75 до 85°С. Сырое масло обрабатывается кислотой и щелочным раствором согласно вышеописанному способу, температура поддерживается, и добавляются теплостойкие ферменты. Дальнейшая процедура выполняется, как описано выше. В смесь вводится фермент, для этой цели скорость мешалки может быть кратковременно увеличена (например, до 900 об/мин в течение 1 мин), после чего перемешивание продолжается на скорости 600 об/мин до тех пор, пока не проходит реакция. Отделение масляной камеди может происходить, как описано выше.
Вариант 5
В следующем воплощении сырое масло нагревается до высокой температуры, в частности от 70 до 100°С и более конкретно от 75 до 85°С. К сырому маслу вместе с водной фазой, взятой в количестве от 0,05 до 5% (отношение массы к объему), добавляются теплостойкие расщепляющие гликозиды ферменты, индивидуально или в подходящей комбинации, в виде свободных ферментов или иммобилизованных ферментов. Эмульсия, составленная из воды, ферментов и, при необходимости, носителей ферментов и масла, тщательно перемешивается. Дальнейшая процедура выполняется, как описано выше. В смесь вводится фермент, для этой цели скорость мешалки может быть кратковременно увеличена (например, до 900 об/мин в течение 1 мин), и затем перемешивание продолжается на скорости 600 об/мин до тех пор, пока не проходит реакция. Отделение масляной камеди может происходить, как описано выше.
Примеры
Ниже изобретение более подробно поясняется с помощью примеров. Следует подчеркнуть, что данные примеры по своему характеру являются лишь иллюстративными и просто демонстрируют особенно предпочтительные воплощения настоящего изобретения. Эти примеры ни в коем случае не ограничивают объем настоящего изобретения.
Пример 1
Сырое соевое масло (с предварительной подготовкой)
Согласно 1 варианту реакции, соевое масло было подвергнуто предварительной подготовке с помощью водной лимонной кислоты (1000 ч./млн) и водного раствора гидроксида натрия (4 моль/л) (общее содержание воды реакции 3%). Для сравнения такая же предварительная подготовка была выполнена с добавлением фермента, α-амилазы организма Bacillus spp.(Sigma-Aldrich) (см. таблицу 1).
Пример 2
Сырое рапсовое масло (с предварительной подготовкой)
Согласно 1 варианту реакции рапсовое масло было подвергнуто предварительной подготовке с помощью водной лимонной кислоты (1000 ч./млн.) и водного раствора гидроксида натрия (4 моль/л) (общее содержание воды реакции 3%). Для сравнения такая же предварительная подготовка была выполнена с добавлением фермента, амилазы PET из организма Bacillus subtilis (ASA Spezialenzyme GmbH) или α-амилазы из Aspergillus oryzae (Sigma-Aldrich) (см. таблицу 2).
Таблицы 1 и 2 показывают общий выход масла реакций из примеров 1 и 2 после экстракции фазы камеди в аппарате Сокслета. Можно видеть, что применение расщепляющих гликозиды ферментов существенно увеличило выход масла по сравнению со стандартным способом с лимонной кислотой.
Во всем мире производится 43 миллиона тонн соевого масла. Увеличение объема выхода масла со 97,1% при стандартном способе до 97,9% в случае применения α-амилазы из Bacillus spp.означало бы возможность выпуска на 0,35 миллиона тонн соевого масла больше.
Рапсового масла во всем мире производится приблизительно 23,5 миллиона тонн. В этом случае увеличение объема выхода рапсового масла со 96,2% при стандартном способе до 97,4% с применением амилазы PET означало бы возможность выпуска на 0,3 миллиона тонн рапсового масла больше.
Пример 3
Сырое соевое масло (с водным дегуммированием/извлечением лецитина)
Сырое соевое масло было смешано с водой в суммарном количестве 2% согласно 2 варианту реакции. В индивидуальных экспериментах в воде было растворено по 1 единице/г масла каждого из следующих ферментов: α-амилазы, полученной из Bacillus spp.(Sigma-Aldrich), мурамилодекстраназы Μ 719L и амилазы AD11P (все от фирмы Biocatalysts Ltd). Суспензия выдерживалась при перемешивании в течение 1 часа при 60°С. После этого фазы были разделены центрифугированием и определено содержание масла в фазе лецитина.
Таблица 5 отображает содержание масла в фазе лецитина после реакции соевого масла с различными расщепляющими гликозиды ферментами в сравнении со стандартным способом (вода). Во всех случаях было снижено количество масла в лецитине, что означает выполнение улучшенного обезжиривания лецитина и, таким образом, одновременное увеличение выхода масла.
Таблица 6 показывает, что снижение содержания масла во фракции лецитина не было результатом снижения выхода. В таблице 6 представлены показатели содержания в масле ионов после реакции. Концентрации кальция, магния и фосфора во всех реакциях сопоставимы. Поэтому были получены сходные показатели выхода лецитина.