Ultraschallgestützte enzymatische Herstellung von Diacylglycerol
Diacylglycerolreiche (DAG-reiche) Öle zeichnen sich durch einen hohen ernährungsphysiologischen Wert aus, da sie auf eine Weise verdaut und verstoffwechselt werden, die das Körpergewicht deutlich reduziert. Diacylglycerol kann durch die Hydrolyse von Palmöl unter Ultraschallbehandlung mit einer handelsüblichen Lipase als Katalysator hergestellt werden. Durch die Ultraschall-enzymatische Hydrolyse lassen sich DAG in großen Mengen bei sehr niedrigen Prozesskosten herstellen.
Durch eine ultraschallunterstützte biokatalytische Hydrolyse lassen sich herkömmliche Pflanzenöle in DAG-reiche Speiseöle mit hohem ernährungsphysiologischem Wert umwandeln. Die Ultraschall-enzymatische Hydrolyse liefert eine gute Ausbeute an diacylglycerolreichem Öl bei kürzeren Reaktionszeiten und unter milden Bedingungen.
Die Vorteile der Ultraschallhydrolyse:
- feine Emulgierung
- verbesserter Stofftransport
- milde Bedingungen
- kurze Prozesszeit
- kontrollierte Temperatur
- Inline-Produktion
Ultraschall-Durchflusszelle aus Glas zur Emulgierung
Forschung und Ergebnisse zur ultraschallgestützten Diacylglycerolsynthese
Awadallak et al. (2013) untersuchten die ultraschallunterstützte Hydrolyse von Palmöl mit Lipozyme RM IM als Biokatalysator. Bei der zweistufigen Reaktion wird Ultraschall eingesetzt, um die Emulgierung von Öl und Wasser zu fördern. Im zweiten Schritt werden die Enzyme für die katalytische Umsetzung zugegeben.
Ultraschallaufbau, wie er in den Untersuchungen von Awadallak verwendet wurde: Ultraschallgerät UP200St mit Glasdurchflusszelle (siehe Abbildung links).
Die Forschungsgruppe stellte fest, dass das folgende zweistufige Verfahren die besten Ergebnisse liefert: Die Sonotrode wurde etwa 10 mm tief in das Wasser-Öl-System eingetaucht. Die Leistung wurde auf 80 W eingestellt und der Ultraschall für 3 min eingeschaltet, um das System zu emulgieren. Anschließend wurde die Sonotrode entfernt und das Enzym (1,36 wt.%, bezogen auf die Gesamtmasse von Wasser und Öl) zugegeben, während die Lösung mit einem Magnetrührer (300 rpm) gemischt wurde.
Die Ultraschallbehandlung erfolgte mit dem 200 Watt starken Sonotroden-Ultraschallgerät UP200St von Hielscher.
Die ultraschallunterstützte Biokatalyse lieferte somit nach 12 h Reaktionszeit DAG-Öl mit einer Konzentration von 34,17 wt.%. Der Beschallungsschritt selbst war mit einer Dauer von nur 1,2 min sehr kurz.
Da die Beschallung als erster Schritt eingesetzt wird, um eine feine Emulsion mittels Ultraschall herzustellen, bietet dieses zweistufige Verfahren Vorteile für die großtechnische Produktion: Die Energiekosten sind sehr niedrig, und die kurze Emulgierzeit ermöglicht den Einsatz einer reduzierten, kontinuierlich betriebenen Ultraschallausrüstung zur Beschickung großer Hydrolysereaktoren.
MultiPhaseCavitator: Der Ultraschall-Durchflusszelleneinsatz MPC48 verbessert Emulgierungsprozesse
Ultraschallanlagen für Technikum und Produktion
Hielscher Ultrasonics ist Ihr Partner mit langjähriger Erfahrung für Ultraschallprozesse einschließlich einer effizienten Diacylglycerolsynthese. Wir fertigen leistungsstarke und zuverlässige Ultraschallsysteme für jedes Volumen. Als Lieferant der Pharma- und Lebensmittelindustrie sind wir auf die Herstellung von Ultraschallanlagen sowie auf die Beratung zu Ultraschallprozessen und deren Integration in Produktionsabläufe spezialisiert.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte.
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 1 bis 500 mL | 10 bis 200 mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000 mL | 20 bis 400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20 L | 0,2 bis 4 L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100 L | 2 bis 10 L/min | UIP4000 |
| n.a. | 10 bis 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | höher | Verbund aus mehreren UIP16000 |
Hielscher Ultraschall-MultiPhaseCavitator
Hielscher entwickelte den einzigartigen Durchflusszelleneinsatz MultiPhaseCavitator MPC48. Der Einsatz MPC48 (siehe Abbildung rechts) ist mit 48 feinen Kanülen ausgestattet, durch die die zweite Phase als sehr feiner Flüssigkeitsstrahl mit einem Durchmesser von 0,3 mm bis 1,2 mm (je nach Kanülengröße) eingespritzt wird. Da die zweite Phase bereits sehr fein verteilt direkt in die Ultraschall-Kavitationszone eingespritzt wird, entsteht durch die Beschallung eine Mikro- oder Nanoemulsion. Der MPC48-Einsatz ist für Durchflussreaktoren von Hielscher ausgelegt und kann sowohl für die chargenweise als auch für die kontinuierliche Verarbeitung eingesetzt werden.
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Ultraschallgerät UIP2000hdT mit Reaktor zur Herstellung von Diacylglycerol
Literatur/Quellen
- Awadallak, Jamal A.; Voll, Fernando; Ribas, Marielen C.; da Silva, Camila da; Filho, Lucio Cardozo; da Silva, Edson A. (2013): Enzymatic catalyzed palm oil hydrolysis under ultrasound irradiation: Diacylglycerol synthesis. Ultrasonics Sonochemistry 20; 2013. 1002-1007.
- Dhara R.; Dhar P.; Ghosh M. (2013): Dietary effects of diacylglycerol rich mustard oil on lipid profile of normocholesterolemic and hypercholesterolemic rats. Journal of Food Science Technology 50(4); 2013. 678-86.
- Goncalves, Karen M.; Sutili, Felipe K.; Leite,Selma G.F.; de Souza, Rodrigo O.M.A.; Ramos Leal, Ivana Correa (2012): Palm oil hydrolysis catalyzed by lipases under ultrasound irradiation – The use of experimental design as a tool for variables evaluation. Ultrasonics Sonochemistry 19; 2012: 232–236.
Was sind Diacylglycerole?
Diacylglycerole (DAG) werden üblicherweise in unterschiedlichen Reinheitsgraden als Zusatzstoffe zur Verbesserung der Plastizität von Fetten oder als Grundstoff in der Lebensmittel-, Pharma- und Kosmetikindustrie eingesetzt. DAG werden außerdem als Trennhilfe zum Lösen von Materialien aus Formen sowie zur Beeinflussung von Fettkristallen verwendet. Zudem dienen sie als Vorstufen für die organische Synthese von Produkten wie Phospholipiden, Glykolipiden, Lipoproteinen, Prodrugs wie DAG-konjugiertem Chlorambucil zur Behandlung von Lymphomen, (S)-(3,4-Dihydroxyphenyl)alanin (LDOPA) zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und vielen weiteren Produkten. In jüngerer Zeit wird DAG-reiches Öl als funktionelles Speiseöl mit einem Gehalt von mindestens 80% an 1,3-DAG verwendet.
Diacylglycerole (DAG) können durch partielle Hydrolyse, Veresterung oder Glycerolyse mittels chemischer oder enzymatischer Katalyse hergestellt werden. Die Beschallung verstärkt nachweislich die enzymatische Katalyse zur Herstellung von Diacylglycerolen erheblich. Die Ultraschall-enzymatische Hydrolyse ermöglicht höhere Ausbeuten an hochwertigen DAG bei sehr kurzer Prozesszeit.