Frankenförder Forschungsgesellschaft mbh Potsdamer Straße 18 a Luckenwalde. Informationen zur Raffinose

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1 Frankenförder Forschungsgesellschaft mbh Potsdamer Straße 18 a Luckenwalde Informationen zur Raffinose Mai

2 Inhaltsverzeichnis: 1 Allgemeines zu Raffinose Melasse Eigenschaften von Raffinose Isolierung von Raffinose aus Melasse Anwendungen von Raffinose

3 1 Allgemeines zu Raffinose Raffinose ist ein in Pflanzen vorkommendes Kohlenhydrat, ein Dreifachzucker (Tricaccharid), der sich aus den drei Einfachzuckern Galactose, Glucose und Fructose zusammensetzt. Abbildung 1: Raffinose Raffinose ersetzt in manchen Pflanzen die Stärke als Speicherkohlenhydrat. Sie ist in größeren Mengen in Hülsenfrüchten vorhanden. Bei Erbsen und Bohnen kann sie 5 bis 15 % der Trockensubstanz ausmachen. Raffinose ist auch in Zuckerrüben und Zuckerrohr enthalten und sammelt sich bei der Zuckerherstellung in der Melasse an. Raffinose dient in einigen Pflanzen (Kürbisgewächse, Linden, Ulmen) anstelle der Saccharose als Transportsubstanz in den Siebröhren des Phloems. Die Raffinose besitzt nur 22 % der Süßkraft von Rübenzucker (Saccharose), da mit zunehmender Polymerisation Saccharide geschmacksneutral werden. Im Dünndarm wird sie nur in geringem Umfang gespalten und resorbiert, da die α- Galaktosidbindung von menschlichen Verdauungsenzymen nicht gespalten werden kann. Größere Mengen gelangen daher in den Dickdarm. Die dort vorhandenen anaeroben Mikroorganismen der Darmflora verwerten sie und produzieren dabei unter anderem Gase, die zu Blähungen führen. ( 3

4 2 Melasse Melasse ist ein honigartiger dunkelbrauner Zuckersirup, der als Nebenerzeugnis in der Zuckerproduktion aus Zuckerrohr, Zuckerrüben und auch Zuckerhirse anfällt. Melasse enthält etwa 50 % Zucker (Saccharose und Raffinose), organische Säuren, Betain, Vitamine und etwa 3 % anorganische Salze. Der Zucker kann nicht mehr mit herkömmlichen Methoden auskristallisiert werden. Melasse fällt bei der letzten Stufe der Zuckerkristallisation aus dem sogenannten "Muttersirup" an. In Zuckerfabriken kann der Zucker aus Melasse mittels Chromatographie abgetrennt werden. Aus technischen Gründen muss die Melasse dazu mit Ionenaustauschern enthärtet werden. Traditionell wird dies in Deutschland nicht angewandt, ist aber in den USA, ebenso wie in Frankreich oder Österreich nicht selten. Der größte Teil der Melasse wird in der Landwirtschaft als direktes Futtermittel sowie als Pelletbilder für Futterpellets für Vieh eingesetzt. Zudem wird sie als zuckerhaltiger Sirup auf vielfältige Weise im Bereich der Nahrungsmittelindustrie eingesetzt und stellt einen wichtigen Fermentationsrohstoff im Bereich der Biotechnologie dar. In Deutschland wurden beispielsweise im Jahr 2006/07 über t Melasse verwendet, von denen über t für Futterzwecke eingesetzt wurden. In der Hefeproduktion wurden etwa t verwendet und fast t gingen in Alkoholbrennereien, die restlichen über t nutzten sonstige Anwender. Innerhalb der Fermentationsindustrie stellt Melasse neben Zuckerdicksaft die günstigste Kohlenhydratquelle dar, die Hefefermentation ist derzeit neben der Produktion von Bioethanol als Biokraftstoff das Haupteinsatzfeld für Melasse. Trinkalkohole auf der Basis von Melasse sind vor allem Rum, doch auch Wodka und indischer Whisky sowie reiner Alkohol für Industrie und Medizin werden auf Melassebasis hergestellt. Weitere Fermentationsprodukte sind Glutaminsäure als Vorprodukt bei der Mononatriumglutamat-Produktion, Zitronensäure und einige weitere Produkte. Als Restprodukt der Melasse-Vergärung entsteht die Vinasse, die zur Eiweißanreicherung in Futtermitteln oder zur Düngung eingesetzt werden kann. In der pharmazeutischen Industrie wird Melasse als Nährmedium für Mikroorganismen zur Herstellung von Antibiotika (z. B. Penicillin) und in der biotechnologischen Industrie als Nährmedium für Mikroorganismen zur Herstellung von Enzymen (z. B. Amylasen) genutzt. ( 4

5 Melasse ist eine hochviskose, braune, für den menschlichen Verzehr ungeeignete Substanz. Sie enthält noch etwa 50 % Saccharose und etwa 83 % Trockensubstanz. An weiteren Kohlenhydraten ist die Raffinose mit 1 bis 2 % vertreten, der Invertzuckergehalt liegt unter 1,0 %. Man findet bis zu 11 % anorganische Substanzen und 4 bis 5 % stickstofffreie organische Säuren. Die Stickstofffraktion (Aminosäuren, Betain, Pyrrolidoncarbonsäure) erreicht etwa 13 %. Melasse findet zusammen mit extrahierten Schnitzeln als Futtermittel Verwendung. Die in ihr enthaltene Saccharose wird zu Ethanol vergoren. Sie dient als Nährsubstrat bei der Hefeproduktion. Aus Melasse lässt sich Saccharose nur mit dem zusätzlichen technischen Aufwand eines Entzuckerungsverfahrens kristallisieren. (H. Hoffmann, W. Mauch, W Untze: Zucker und Zuckerwaren, Behr`s Verlag GmbH, 2004) 3 Eigenschaften von Raffinose Ähnliche physikalische Eigenschaften von Oligosacchariden und ihr fast gleiches Verhalten während des Zuckergewinnungsprozesses führen dazu, dass Saccharose von einigen anderen Oligosacchariden (Raffinose, Ketosen, Stachyose, Theanderose) bis zum Weißzucker begleitet wird. Die Hauptmenge dieser Saccharide sammelt sich in der Melasse. Die Raffinose ist ein nicht reduzierendes Trisaccharid, in dem ein D-Galaktosylrest in α-1,6-position mit der D-Glukosekomponente der Saccharose verknüpft ist. Im Allgemeinen treten die Saccharide der Raffinosefamilie weit verbreitet in der Pflanzenwelt als schnell mobilisierbare Reservestoffe auf. Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen Raffinosegehalt in Zuckerrüben und in Weißzucker. Von der mit den Zuckerrüben in den Gewinnungsprozess gelangenden Raffinose verlassen ihn etwa 20 % im Weißzucker, der Rest in der Melasse. Die Nachteile, die durch anwesende Raffinose entstehen, sind zuckertechnologischer und analytischer Natur. So wurde für Raffinose ein die Kristallisationsgeschwindigkeit der Saccharose hemmender Einfluss gefunden. Bekannt ist, dass bei der Kristallisation der Saccharose die vorhandene Raffinose zur Ausbildung von langgestreckten, sogar nadelförmigen Saccharosekristallen führt. Kristalle mit uneinheitlichem Krsitallhabitus verursachen eine schlechte Trennung des Kristall-Sirup-Gemisches in den Zentrifugen und reduzieren das Schüttgewicht des Weißzuckers. Bei der 5

6 polarimetrischen Analyse des Weißzuckers täuscht Raffinose fast die doppelt so hohe Konzentration von Saccharose vor, da die spezifische optische Drehung der Raffinose 1,85 Mal größer als die der Saccharose ist. Bei einem verhältnismäßig hohen Raffinoseanteil, der bei Weißzucker aus Zuckerrüben 0,1 % erreichen kann, läge der polarimetrisch bestimmte Saccharoseanteil > 100 %. (H. Hoffmann, W. Mauch, W Untze: Zucker und Zuckerwaren, Behr`s Verlag GmbH, 2004) 4 Isolierung von Raffinose aus Melasse Das Ziel der hier vorgestellten Arbeit (Doktorarbeit, siehe unten) besteht darin, mittels chromatographischer Verfahren einen neuen Weg zur Isolierung von Raffinose aus einer Fraktion der Melasse-Aufarbeitung zu entwickeln. Bei der im industriellen Maßstab durchgeführten Melasseentzuckerung der Firma Amino GmbH, Frellstedt, ist eine Isolierung des Kohlenhydrates Raffinose zurzeit nicht möglich. Das wesentliche Ziel der Arbeit liegt in der Lösung des Trennproblems Saccharose Raffinose. Anwendung fanden zum einen die immobilisierte Metall-Affinitäts- Chromatographie, zum anderen unterschiedliche Trägermaterialien für die Gel- Chromatographie. Zur Auswertung der Trennversuche wurde eine geeignete Analytik entwickelt. Die Bestimmung beider Zucker erfolgte mit einer HPLC-Analysenmethode mit einer Amino-Säule und einem Acetonitril-Wasser-Gemisch als Eluent. Die Methode war auch bei sehr unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen beider Analyten und bis in hohe Konzentrationsbereiche gut geeignet. Jedoch wurde die Trennleistung bereits von geringen Salzkonzentrationen stark beeinflusst. Die verwendete HPLC- Methode war daher nur für die Untersuchung von salzarmen Proben geeignet. Die durchgeführten Versuche zeigten, dass die Metall-Affinitäts-Chromatographie nicht zur Separation dieser beiden Zucker geeignet ist. Mit dem Prinzip der Gel- Chromatographie wurden Dextran- und Polyacrylamid-Materialien in Bezug auf ihre Eignung für eine Saccharose/Raffinose-Trennung untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich auch kleine Saccharide gut mit Hilfe der Gel-Chromatographie trennen lassen. Die untersuchten Sephadex-Materialien zeigen jedoch nur eine ungenügende Trennleistung. Deutlich bessere Ergebnisse konnten mit synthetischen Trennmaterialien (Bio-Gel P-2 sowie Toyopearl-HW 40-S) erzielt werden. Das sehr 6

7 weiche Bio-Gel-Material zeigte bei sehr geringen Flussraten eine chromatographische Auflösung um 0,5; jedoch sind die Elutionszeiten mit fast vier Stunden für eine industrielle Anwendung zu lang. Der Vorteil dieses Materials liegt in einer teilweisen Decolorierung der Zuckerfraktionen. Das Toyopearl-Material eignet sich gut für eine Trennung von Saccharose und Raffinose. Die erreichte chromatographische Auflösung von 0,7 ist auch bei hohen, industriell nutzbaren Flussraten reproduzierbar. Das Erhöhen der Versuchstemperatur auf 70 C führte zu deutlich verbesserten Werten bei der Auflösung (bis R = 0,83). Ein technischer Einsatz dieses entwickelten Verfahrens ist daher möglich. (Kurzfassung der Doktorarbeit von Ingrid Langwost mit dem Titel: "Entwicklung eines industriell einsetzbaren chromatographischen Trennverfahrens zur Gewinnung von Raffinose aus Melasse", Universität Hannover, 2002) 5 Anwendungen von Raffinose Raffinose liegt in Melasse in einer durchschnittlichen Konzentration von 2,4 % vor und stellt damit nach der Saccharose den größten Anteil an Kohlenhydraten dar. Raffinose (α-d-galactopyranosyl-(1 6)-D-α-glucopyranosyl-(1 2)-β-Dfructofuranosid) ist ein Trisaccharid und setzt sich aus den Monosacchariden Galactose, Glucose und Fructose zusammen, die über eine α- bzw. β- glycosidische Bindung miteinander verbunden sind. Für Raffinose bieten sich vielfache Nutzungsmöglichkeiten: Das Trisaccharid wird als Zusatz von Bakteriennährböden und als Stabilisator für gefrorene Rinder-Spermien verwendet, sowie Konservierungslösungen von menschlichen Organtransplantaten zugesetzt. Beim Gefriertrocknen von Proteinen wird Raffinose zum Erhalt der Hydrathülle eingesetzt. In industrialisierten Ländern könnte die Raffinose zudem als Nahrungsergänzungsmittel einen expandierenden Markt erschließen da herausgefunden wurde, dass Raffinose sich positiv auf die Vermehrung von Bifido- Bakterien im Darm auswirkt und dem Zucker damit eine präbiotische Wirkung zugeschrieben wird. Der gesundheitsfördernde Einfluss von Oligosacchariden wird in den letzten Jahren vermehrt untersucht. In Japan wird in vielen Patenten der Zusatz von Raffinose zu Kosmetikprodukten wie Cremes, Lippenstiften und Deodorants erwähnt. Ein neues Einsatzgebiet wird derzeit in Canada entwickelt: Die Firma 7

8 Hemosol untersucht den Einsatz eines Blutersatzmittels (Hemolink ), das aus menschlichem Haemoglobin besteht, welches mit Periodat-oxidierter ringgeöffneter Raffinose polymerisiert wurde. Die klinischen Untersuchungen befinden sich im Moment in der Phase II. Doktorarbeit von Ingrid Langwost mit dem Titel: Entwicklung eines industriell einsetzbaren chromatographischen Trennverfahrens zur Gewinnung von Raffinose aus Melasse", Universität Hannover, 2002) 8