Hielscher Ultraschalltechnik

Enzymatische Öl-Hydrolyse mit Ultraschall

  • Diacylglycerol (DAG)-reiche Öle gelten als wertvoller Zusatzstoff für Lebensmittel, Pharmazeutika und kosmetische Produkte.
  • Diacylglycerol kann durch die Hydrolyse von Pflanzenöl mit einer kommerziell erhältlichen Lipase als Katalysator sowie Ultraschall hergestellt werden.
  • Durch die ultraschall-gestützte, enzymatische Hydrolyse können DAGs kostengünstig in großvolumigem Maßstab und in sehr kurzer Zeit produziert werden.

Ultraschall-Gestützte Enzymatische Diacylglycerol-Produktion

Diacylglycerol (DAG)-reiche Öle werden für Lebensmittel, pharmazeutische und kosmetische Produkte verwendet. Sie sind aufgrund ihres hohen Nährwerts von besonders großem Interesse, denn sie werden auf eine besondere Weise verdaut und verstoffwechselt, wodurch das Körpergewicht erheblich reduzieren kann.
Durch eine ultraschallgestützte bio-katalysierte Hydrolyse kann normales Pflanzenöl in ein DAG-reiches Speiseöle umgewandelt werden. Mittels ultraschall-gestützter enzymatischer Hydrolyse kann in sehr kurzer Reaktionszeit und unter milden Bedingungen Diacylglycerol-reiches Öl produziert werden.
Die Kombination aus Ultraschall und enzymatischer Katalyse wird es möglich, gewöhnliche Öle, wie z.B. Palmöl, zu einem Öl mit einem hohen Diacylglycerol-Gehalt aufzuwerten. Durch einen hohen Diacylglycerol-Gehalt wird das Speiseöl ernährungsphysiologisch besonders wertvoll.

Die Vorteile der Ultraschallverarbeitung:

  • feine Emulgierung
  • Erhöhter Stoffaustausch
  • hohe Umwandlung
  • milde Bedingungen
  • kurze Verarbeitungszeit
  • geregelte Temperatur
  • Inline-Produktion
Chemische Struktur von Diacylglycerin (DAG), worin R1, R2 und R3 ein Alkyl oder ein Alkenyl, Kohlenwasserstoffkette einer Fettsäure (allgemeine Formel R-COOH).

Strukturformel von Diacylglycerol (DAG)

Ultraschall-Behandlung ist bekannt, Massentransfer zu verbessern

Ultraschall-Glasreaktor, z.B. für die Emulgierung

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Forschung & Ergebnisse

Awadallak et al. (2013) haben die ultraschallgestützte Hydrolyse von Palmöl mit dem Lipozyme RM IM als Biokatalysator untersucht. In der zweistufigen Reaktion wird Ultraschall zur Emulgierung von Öl und Wasser eingesetzt. Im zweiten Schritt werden die Enzyme für die katalytische Umwandlung hinzugefügt.
Das Bild rechts zeigt das Ultraschall-Setup wie es in der Forschungsstudie von Awadallak verwendet wurde: Das Ultraschallgerät UP200S (200W, 24kHz) mit Glasreaktorzelle für eine kontinuierliche Beschallung unter kontrollierten Bedingungen.

Protokoll

Die Forschungsergebnisse von Awadallak und seinen Kollegen zeigen, dass mit folgendem Versuchsablauf die besten Ergebnisse erzielt werden konnten: Die Reaktion erfolgte in einem Ultraschall-Glasreaktor mit 60ml Volumen (siehe Bild rechts) bei 55°C. Die gesamte Reaktion wurde für 24 Std beobachtet. Zuerst wurden Palmöl (15 g) und Wasser (1,5 g) in den Reaktor gefüllt. Die Sonotrode (Horn/ Sonde) des Ultraschallhomogenisators UP200S wurde bis zu einer Tiefe von ca. 10mm in das Wasser/Öl-gemisch eingetaucht. Das Ultraschallgerät wurde auf 80 Watt geregelt. Das Wasser-Öl-Gemisch wurde für 3 Min mittels Ultraschall emulgiert. Nach der Beschallung wurde das Enzym (1,36 Gewicht% der Wasser+Öl-Masse) hinzugefügt, wobei die Lösung mit einem Magnetrührer (300 U/Min) gemischt wurde.
Durch die ultraschall-gestützte Bio-Katalyse wurde innerhalb von 12h Reaktionszeit Diacylglycerol (DAG)-Öl mit 34,17 wt.% Konzentration hergestellt. Die Beschallung mit Ultraschall selbst dauerte nur 1,2 Minuten.

Ergebnisse

In den vorgestellten Studien wurde DAG-Öl mit einer Konzentration von 34,17 wt.% hergestellt. Die Beschallung dauerte nur 1,2 Min.
Die ultraschall-enzymatische Katalyse überzeugt durch folgende Vorteile, welche dieses Verfahren auch für die Großproduktion interessant machen: Die Kombination aus Ultraschall und enzymatischer Hydrolyse weist sehr geringe Energiekosten auf und der Einsatz eines Ultraschallgerätes für die kontinuierliche Ultraschall-Verarbeitung ermöglicht es, große Hydrolysereaktoren zu betreiben. [Awadallak et al. 2013]

UP200S mit Glasreaktor für die ultraschall verbesserte enzymatische Hydrolyse von Öl

Ultraschallgerät UP200S mit Glasreaktor

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Literatur

  • Adewale, Peter; Dumont, Marie-Josée; Ngadi, Michael (2015): Enzyme-catalyzed synthesis and kinetics of ultrasonic-assisted biodiesel production from waste tallow. Ultrasonics Sonochemistry 27; 2015. 1-9.
  • 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.
  • 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.
  • Souza, Rodrigo O. M. A.; Babicz, Ivelize; Leite, Selma G. F.; Antunes, Octavio A. C.: Lipase-Catalyzed Diacylglycerol Production Under Sonochemical Irradiation.
  • Nagao T.; Watanabe H.; Goto N.; Onizawa K.; Taguchi H.; Matsuo N.; Yasukawa T.; Tsushima R.; Shimasaki H.; Itakura H. (2000): Dietary diacylglycerol suppresses accumulation of body fat compared to triacylglycerol in men in a double-blind controlled trial. Journal of Nutrition 130, 2000. 792-797.


Wissenswertes

Weiter Informationen zu Diacylglycerol
Diacylglycerole (DAG) werden in unterschiedlichen Reinheitsgraden als Zusatzstoff zur Verbesserung der Formbarkeit von Fetten oder als Rohstoff in der Lebensmittel-, Pharmazie- und Kosmetikindustrie eingesetzt. DAGs dienen zudem auch als Separieröle, um Materialien aus Formen zu lösen und als Regulator für Fettkristalle, als Vorläufer für die organische Synthese von Produkten wie z.B. Phospholipiden, Glykolipiden, Lipoproteinen und als Bestandteil von Medikamenten (z.B. DAG-konjugiertes Chlorambucil für Behandlung von Lymphomen, (S)-(3,4-dihydroxyphenyl) Alanin (LDOPA) zur Behandlung der Parkinson-Krankheit und zahlreiche andere). In jüngster zeit wurden DAG-reiche Öle als funktionale Speiseöle mit einem Gehalt von mindestens 80 % des 1,3-DAG verwendet. [Nagao et al., 2000]
Diacylglycerol (DAG) kann durch partielle Hydrolyse, Veresterung oder Glycerolyse durch eine chemische oder enzymatische Katalyse hergestellt werden. Die enzymatische Katalyse gilt als bevorzugte Methode, da sie unter sehr milden Bedingungen (niedrige Temperaturen und Drücke) abläuft.