Enzymatische Öl-Hydrolyse mit Ultraschall

• Diacylglycerolreiche (DAG-reiche) Öle sind eine wertvolle Zutat für Lebensmittel, pharmazeutische Produkte und Kosmetika.
• Diacylglycerol kann durch die Hydrolyse von Palmöl unter Ultraschallbehandlung mit einer handelsüblichen Lipase als Katalysator hergestellt werden.
• Durch die ultraschallgestützte enzymatische Hydrolyse lassen sich DAG in großen Mengen kostengünstig und in kurzer Zeit herstellen.

Ultraschallgestützte enzymatische Herstellung von Diacylglycerol

Diacylglycerolreiche (DAG-reiche) Öle werden in Lebensmitteln, pharmazeutischen Produkten und Kosmetika eingesetzt. Aufgrund ihres hohen Nährwerts haben sie großes Interesse geweckt, da sie auf eine Weise verdaut und verstoffwechselt werden, die das Körpergewicht deutlich reduziert.
Durch eine ultraschallunterstützte biokatalytische Hydrolyse lassen sich herkömmliche Pflanzenöle in DAG-reiche Speiseöle umwandeln. Die ultraschallgestützte enzymatische Hydrolyse liefert eine hohe Ausbeute an diacylglycerolreichem Öl bei kurzen Reaktionszeiten und unter milden Bedingungen.
Eine Kombination aus Ultraschall und enzymatischer Katalyse kann eingesetzt werden, um herkömmliche Öle, z. B. Palmöl, zu Ölen mit einem hohen Diacylglycerolgehalt aufzuwerten. Ein hoher Diacylglycerolgehalt verleiht dem Öl einen hohen Nährwert.

Die Vorteile von Ultraschall:

• feine Emulgierung
• verbesserter Stofftransport
• hoher Umsatz
• milde Bedingungen
• kurze Prozesszeit
• kontrollierte Temperatur
• Inline-Produktion

Strukturformel von Diacylglycerol (DAG)

Forschung und Ergebnisse

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.
Das Bild rechts zeigt den Ultraschallaufbau, der in den Untersuchungen von Awadallak verwendet wurde: das Ultraschallgerät UP200S (200W, 24kHz) mit Glasdurchflusszelle für eine kontinuierliche Beschallung unter kontrollierten Bedingungen.

Versuchsprotokoll

Die Forschungsgruppe stellte fest, dass das folgende zweistufige Verfahren die besten Ergebnisse liefert: Die Reaktion wurde in einer Ultraschall-Glasdurchflusszelle mit einem Volumen von 60ml (siehe Bild rechts) bei 55°C über 24 h durchgeführt. Palmöl (15 g) und Wasser (1,5 g) wurden in den Reaktor gegeben. Die Sonotrode des Ultraschallgeräts UP200S wurde etwa 10mm tief in das Wasser-Öl-System eingetaucht. Die Leistung wurde auf 80W eingestellt und das Gerät 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.
So lieferte die ultraschallunterstützte Biokatalyse nach einer Reaktionszeit von 12h DAG-Öl mit einer Konzentration von 34,17 wt.%. Der Beschallungsschritt selbst war mit einer Dauer von nur 1,2 min sehr kurz.

Ergebnisse

In den vorgestellten Versuchen wurde nach einer Reaktionszeit von 12 h DAG-Öl mit einer Konzentration von 34,17 wt.% erhalten. Der Beschallungsschritt dauerte nur 1,2 min.
Die ultraschallgestützte enzymatische Katalyse überzeugt durch ihre großen Vorteile für die Produktion im großen Maßstab, da ihre Energiekosten sehr niedrig sind und die kurze Emulgierzeit den Einsatz kontinuierlich betriebener Ultraschallausrüstung in reduziertem Umfang zur Beschickung großer Hydrolysereaktoren ermöglicht. [Awadallak et al. 2013]