DE2545975A1

DE2545975A1 - Verfahren zur herstellung eines farbextraktes aus roten rueben

Info

Publication number: DE2545975A1
Application number: DE19752545975
Authority: DE
Inventors: Clyde H Ammundson; Joachim Von Elbe
Original assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Current assignee: Wisconsin Alumni Research Foundation
Priority date: 1974-10-15
Filing date: 1975-10-14
Publication date: 1976-04-29
Also published as: FR2288133A1; FR2288133B1; GB1490931A; CA1062640A; BE834549A; NL7511934A

Description

"Verfahren zur Herstellung eines Farbextraktes aus roten Hüben"

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung des Pigments bzw. Farbstoffs von roten Rüben und besonders die Entfernung von Bestandteilen, die mit dem Pigment roter Rüben verbunden sind, um eine Konzentration oder Isolierung des Rübenpigments ohne Zerstörung des Pigments zu erreichen und ohne eine nachteilige Wirkung auf das Pigment in Beziehung auf die physikalischen Eigenschaften und die Farbe.

Die tiefrote Farbe, die rote Rüben charakterisiert, ist ein Anzeichen für das Vorliegen eines pflanzlichen Farbstoffs oder Pigments. Es besteht Interesse an der Ausnutzung eines derartigen Pigments von roten Rüben als pflanzlichen Farbstoff, der sicher zur Färbung anderer Nahrungsmittelj pharmazeutischer Präparate und ähnlicher eßbarer Produkte oder von Produkten, die absichtlich oder unabsichtlich vom menschlichen oder tierischen Verdauungssystem aufgenommen werden, angewandt.werden kann. ·

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Es treten jedoch Schwierigkeiten auf, solche Rotrübenpigmente in einer wirksamen und wirtschaftlichen Weise und in solchen Konzentrationen und Ausbeuten zur Verfügung zu stellen, die eine praktische Anwendung als Färbemittel für Nahrungsmittel, Pharmazeutika u.a. ermöglichen.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verarbeitung von roten Rüben zu entwickeln, bei dem die mit dem Pigment in den roten Rüben verbundenen Substanzen entfernt werden und das pflanzliche Rotrübenpigment in einer ausreichenden Konzentration zur praktischen Anwendung zur Verfügung gestellt werden kann. Dabei soll die Abtrennung und Konzentrierung auf praktische und wirtschaftliche Weise durchgeführt werden können, ohne einen zu großen Verlust an Pigment oder Farbe; die nitrate und Nitrite in dem Rotrübenextrakt sollen eliminiert oder auf vernachlässigbar geringe Mengen vermindert werden und die Gewinnung des Pigments soll auf ganze rote Rüben oder Teile von roten Rüben angewandt werden können, die sonst als Abfall weggeworfen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll anhand des beiliegenden Fließschemas näher erläutert werden. Es ist jedoch nicht auf die spezielle, in dem Fließschema angegebene Arbeitsweise beschränkt. Z.B. werden rote Rüben und rote Rübenabfälle als Ausgangsmaterialien verwendet. Das Verfahren kann jedoch selbstverständlich auch auf ganze Rüben oder ausschließlich rote Rübenabfälle oder Gemische davon angewandt werden.

Zunächst werden die roten Rüben zu einer Pulpe zerkleinert. Das kann auf verschiedene Weise erreicht werden mit üblichen Vorrichtungen, wie mit Mühlen, Homogenisiermaschinen, Raspelmaschinen mit hoher Geschwindigkeit u.a. Man erhält eine Pulpe, bei der ungefähr 10 Gew.-%

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Feststoffe sind, die im allgemeinen als Faserkomponente bezeichnet werden und der Rest eine flüssige Phase, die das Pigment zusammen mit anderen wasserlöslichen Bestandteilen, wie Proteinen, löslichen Pektinen und Mineralien oder Aschen, einschließlich Nitraten und Nitriten, enthält, deren Hauptbestandteile jedoch Kohlenhydrate und hauptsächlich Saccharose sind.

Die flüssige Phase wird von der festen Phase durch Flüssigkeit-Feststoff-Trennverfahren, wie Filtrieren, Zentrifugieren, Dekantieren u.a. abgetrennt. Wenn es aus wirtschaftlichen Gründen erwünscht ist, eine möglichst hohe Ausbeute an Pigment zu erhalten, kann die abgetrennte feste Phase ein oder mehrere Male mit Wasser gewaschen werden, wobei die Waschflüssigkeiten mit der abgetrennten flüssigen Phase für die anschließende fermentative Behandlung zusammengegeben werden. Wenn ein Filtrationssystem für die Flüssigkeits-Feststoff-Trennung angewandt wird, kann direkt der aus den Feststoffen auf dem Filter gebildete Filterkuchen gewaschen werden. In dieser Stufe enthält die flüssige Phase das Rübenpigment in einer Konzentration, die 0,03 bis ungefähr 0,2 Gew.-%, bezogen auf die gesamte flüssige Phase, betragen kann.

Um die Entfernung der löslichen Kohlenhydrate zur Abtrennung von dem Rotrübenpigment zu erreichen, ohne das Pigment schädlich zu beeinflussen, wird die flüssige Phase einer Fermentation unterworfen, wobei die löslichen Kohlenhydrate. Nitrate, Nitrite und ein Teil der Proteinfraktion als Nährstoffquelle für die Zellproduktion von der Hefe ausgenutzt werden. Die Zellen werden durch übliche Flüssigkeits-Feststoff-Trennverfahren, wie Filtration oder ähnliches abgetrennt.

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Es kann jede Art der Glukosefermentation angewandt werden, wie eine bakterielle Fermentation, aber es ist bevorzugt, eine aerobe Fermentation in Gegenwart von Sauerstoff und einem geeigneten Inoculum durcb.zufuh.ren. Verschiedene Inocula, die für die aerobe Fermentation geeignet sind, können angewandt werden, wobei die besten Ergebnisse jedoch erreicht werden, wenn eine Hefe, wie Candida utilus angewandt wird. Mit einer derartigen Hefe wird der Sauerstoff so schnell aufgebraucht, wie er eingeleitet wird, wobei im wesentlichen Säuerstoffgehalte von Null in der Flüssigkeit aufrechterhalten werden und dadurch die Wirkung des Sauerstoffs bzw. die Oxidation des Rotrübenpigments möglichst gering gehalten wird.

Bei der bevorzugten Arbeitsweise wird die Hefe in einer solchen Menge zugegeben, daß ein maximales Hefewachstum aufrechterhalten wird, ohne die Sauerstoffgehalte zu erhöhen, um die Kohlenhydrate in der gerijqgstmöglichen Zeit oder mit maximaler Geschwindigkeit umzuwandeln, ohne daß das Pigment oxidiert wird. Zu diesem Zweck wird die Hefe in einer Menge entsprechend mindestens 62,5 g pro kg Kohlenhydrate und vorzugsweise in einem Verhältnis von 250 g pro kg Kohlenhydrate zugesetzt.

Als Sauerstoffquelle kann reiner Sauerstoff angewandt werden, aber er sollte zu Beginn der Fermentation nicht angewandt werden, da er dazu neigt, die Hefe zu verbrennen. Im wesentlichen reiner Sauerstoff kann angewandt werden, wenn der Sauerstoffgehalt in der Fermentationsflüssigkeit auf Null gesunken ist. Es ist bevorzugt, Luft als Sauerstoffquelle während des gesamten Fermentationsverfahrens anzuwenden, da dadurch die Kosten verringert werden und Luft bequem zur Verfugung steht.

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Die aerobe Fermentation wird bei Raumtemperatur oder leicht darüber durchgeführt. Fermentationstemperaturen über 40⁰G sollten nicht angewandt werden, da anderenfalls die Hefe inhibiert wird und bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur fällt die Fermentationsgeschwindigkeit auf einen zu geringen Wert ab. Der pH-Wert der Flüssigkeit sollte leicht auf der sauren Seite gehalten werden während der Fermentation, z.B. im Bereich von 4- bis- 6 und vorzugsweise ungefähr 5«

Die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff eingeführt wird, hängt etwas von der angewandten Hefe^ der Reaktionsgeschwindigkeit der vorhandenen Menge an Kohlenhydraten und der Fermentationstemperatür ab. Die Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff eingeführt wird, kann während des Verfahrens leicht so bestimmt werden, um ein maximales Hefewachstum zu erreichen, aber die Einleitungsgeschwindigkeit sollte nicht höher sein als die Geschwindigkeit, mit der der Sauerstoff verbraucht wird, wodurch im wesentlichen ein Sauerstoffgehalt von Mull während der Fermentation erreicht wird.

Wenn die Rüben nicht ausreichend lösliche Nitrate oder Phosphate enthalten, können derartige Nährstoffe zu der Fermentationsflüssigkeit in Form von Ammoniak und/oder löslichen Phosphatsalzen zugesetzt werden.

Während der Fermentation werden die Kohlenhydrate und ein Teil des rohen Proteins zu Binzellen- Proteinen umgewandelt, die von der verbleibenden Flüssigkeit durch übliche Flüssigkeits-Feststoff-Trennverfahren, wie Filtration, Zentrifugieren u.a. abgetrennt werden können. Die so abgetrennten Hefezellen können für die menschliche oder tierische Nahrung verwendet werden. Dieses Nebenprodukt ist von beachtlichem Wert und erhöht dadurch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zur Gewinnung des Rot-

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rübenpigments als Farbstoff.

Bei einer anderen Arbeitsweise kann die gesamte Pulpe direkt der Fermentation unterworfen werden, wobei die Fasern in der Flüssigkeit verbleiben, anstatt daß die ursprüngliche Pulpe zur Entfernung der Fasern einer Flüssigkeits-Feststoff-Trennung und Waschen unterworfen wird. Bei dieser Arbeitsweise werden durch die Fermentation die Kohlenhydrate und rohen Proteine ebenfalls zu einzelligen Proteinen umgewandelt, ohne daß die ursprüngliche Faser verändert wird. Dabei ergibt die anschließende Flüssigkeits-Feststoff-Trennung des bei der Fermentation entstehenden Produktes mit Protein angereicherte Zellulosefasern, die als Tierfuttermittel geeignet sind.

Die nach der Extraktion der Feststoffe aus dem Fermentationsprodukt verbleibende Flüssigkeit enthält das Rotrübenpigment in einer Konzentration (berechnet auf Trockengewicht) von 1 bis 10 Gew.-%.

Die Flüssigkeit kann als Färbemittel angewandt werden, aber es ist bevorzugt, die Flüssigkeit durch Entfernung von " Wasser einzuengen, um den Gehalt an Rübenpigment auf einen Bereich von 0,5 bis 2 Gew.-% zu erhöhen, wenn die Flüssigkeit als pflanzliches Färbemittel angewandt werden soll.

Die Flüssigkeit kann durch übliche Verfahren, wie Sprühtrocknen, vorzugsweise unter Unterdruck oder durch Gefriertrocknen zu einem trockenen Pulver verarbeitet werden. Yor der Durchführung eines oder mehrerer der angegebenen Trocknungsverfahren ist es günstig, obwohl nicht wesentlich, die Flüssigkeit einzuengen, z.B. durch Eindampfen oder Destillation, um einen Hauptteil des wäßrigen Mediums zu entfernen. Das trockene Pulver

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enthält das Rotrübenpigment in einer Menge entsprechend der in der Flüssigkeit enthaltenen Menge, berechnet auf das Trockengewicht, z.B. in einer Menge im Bereich von 1 bis 10 Gew.-%, weitgehend abhängig von der Art der als Ausgangsmaterial angewandten roten Rüben.

Ein trockenes, feinteiliges oder pulverförmiges Konzentrat, das das Rotrübenpigment in sehr viel höheren Konzentrationen enthält, z.B. in Mengen bis zu 40 bis 70 Gew.-%, kann erhalten werden, wenn man die Flüssigkeit und vorzugsweise eine konzentrierte Flüssigkeit mit Hilfe solcher Verfahren, wie umgekehrter Osmose, Molekularsiebung und/oder chromatographischer Trennung aufarbeitet. Eine Konzentration von 50 Gew.-% Rotrübenpigment in einem trockenen Pulver wurde erreicht mit Hilfe einer Säule, enthaltend Sephadex G-25·

Die Konzentration des Pigments in der Flüssigkeit oder dem Pulver, die erfindungsgemäß erhalten worden sind, kann in weiten Grenzen variieren und hängt weitgehend von der Art der angewandten Rüben und dem Ausmaß ab, in dem die Fermentati onsreaktion zur Extraktion der ursprünglich mit dem Pigment in den rohen Rüben enthaltenen Komponenten durchgeführt worden ist. Aufgrund der intensiven Farbe des pflanzlichen Pigments hat es sich jedoch für die praktische Anwendung als ausreichend erwiesen, die roten Rüben soweit zu behandeln, daß man eine Flüssigkeit, enthaltend 0,1 bis 1,0 Gew.-% Pigment oder ein feinteiliges oder pulverförmiges Material,enthaltend mindestens 1, vorzugsweise 3 bis 70 Gew.-% Rotrübenpigment, erhält.

Die Erfindung wird durch das folgende nicht einschränkende Beispiel näher erläutert.

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Beispiel

Die roten Rüben wurden gewaschen und getrocknet. Es wurde Ascorbinsäure zugesetzt, um ein Braunwerden durch Oxidation zu vermeiden. Das Gemisch wurde in einer Fitzpatrick-Mühle, Modell D, mit einem Sieb mit einer lichten Maschenweite von 6,35 nun zu einer Pulpe verarbeitet und gepreßt. Der so erhaltene Saft wurde 15 min mit 1000 g zur Entfernung der unlöslichen Bestandteile zentrifugiert. Vor der Fermentation wurde der Saft der Ultrafiltration unterworfen (Celluloseacetat-Hohlfasern, 30 000 Nominalgewicht) bei Raumtemperatur unter einem Stickstoffdruck von 0,5642 kg/cm (8 psi) zur Entfernung von Makromolekülen, z.B. Pektinen.

Der Saft wurde der Fermentation unterworfen, um Kohlenhydrate, hauptsächlich Saccharose, zu entfernen, und den größten Teil des rohen löslichen Proteins. Das Inocolum war Candida utilus (250 g Hefe auf 1 kg Kohlenhydrate). Während der Fermentation wurde die Temperatur auf 30 - 2⁰C gehalten, die Einlaßgeschwindigkeit der Luft betrug 1750 ml pro min und der pH-Wert wurde mit 7%iger NaOH oder 5%iger HCl auf 5,0 - 0,3 gehalten. Diese Bedingungen ergaben ein maximales Wachstum für die Hefe und eine maximale Ausnutzung der Kohlenhydrate. Die Ferment tationszeit betrug 110 min pro 1 % Saccharose in dem Saft.

Die Analyse des Saftes vor und nach der Fermentation ergab die folgenden Werte.

TABELLE

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TABELLE

zu Beginn	1O~² g/g Probe	Nach der Ultrafiltration	7,012 ± 0,035	% bezogen auf Gesamt-Feststoffe	4 1	0,1	0	2
Gesamt-Feststoffe (TS)	7,878 ± 0,022	Gesamt-Feststoffe	0,554- - 0,021		6,8	0,1		0
Aschen	0,611 ± 0,008	Aschen	0,731 ± 0,014	7,8 t	25	2
Rohes Protein	0,756 ± 0,008	rohes Protein	5,529 * 0,280	9,6 ±		bestimmt	±0,1
Saccharose ^a	6,075 ± 0,158	Saccharose	0,092 ± 0,005	77 -	± 0,06	± 0,6
Glucose	nicht bestimmt	Glucose	0,080 ± 0,007	nicht	3	± 4
Betacyanin	0,074 ί 0,005	Betacyanin	0,026 ί 0,362	0,94
Nicht bestimmbarer Anteil	0,362 ± 0,201	Nicht bestimmbarer Anteil		5 ±
Nach der Fermentation	1,200 ± 0,012		0,3
Gesamt-Feststoffe	0,631 - 0,024		0,2
Aschen	0,138 ± 0,001	7,9 ±	4
rohes Protein	b	10,4 ±	0,1
Saccharose	0,049 * 0,001	79 ^±	0,1
Glucose	0,081 t 0,007	1,7 ±
Betacyanin	0,301 ± 0,045	1,1 ±
Nicht bestimmbarer- Anteil


53 ^±
12 ±
b

- einschließlich Glucose

_ unterhalb der Bestimmungsgrenze

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Der fermentierte Saft wurde zentrifugiert,um die Hefezellen zu entfernen und unter Vakuum 10:1 eingeengt. Um die Salze, die den Hauptteil der Feststoffe darstellten, zu entfernen, wurde der Saft mit HGl auf einen pH-Wert von 2,0 angesäuert und über eine Säule (75 x 5 cm), die feinen Sephadex G-25 enthielt, chromatographiert. Die Durchflußgeschwihdigkeit betrug 5»95 ml destilliertes Wasserrpro min. Die entstehende Pigment fraktion wurde getrocknet und besaß einen Betacyamngehalt von 55 % und war frei von Nitraten und Nitriten.

- 11 -

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lA-47 136

Rote Rüben

Pulpe

Flüssigkeits-Fesfcstoff-Trennung

Ultrafiltration

Fasern

Fermentation

Flüssigkeits-Faststoff-Trennung

Ultra filtration

lief ezelle

trocken (Produkt) E'ercientation

Flüssigkeits-Feststoff-Trennung

Ultra filtra tion

Hefe , u. Fasern

Konzentrat $>. Produkt

Cl ι r oma t ogr a phi e

i-.cocken (Produkt)

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

(1) Verfahren zur Herstellung eines Farbextrakts aus roten Rüben, dadurch gekennzeichnet , daß man den wasserlöslichen Anteil der roten Rüben

Mikr ο or ga nisinus.
der Fermentation durch . Ni'zelien unterwirft und die das Pigment enthaltende flüssige Phase anschließend von der entstehenden festen Phase abtrennt.

(2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man vor der Fermentation die Rüben zu einer Pulpe zerkleinert.

(3) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß man die Fermentation mit Hilfe von Bakterien durchführt.

Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man die Fermentation aerob in Gegenwart eines sauerstoffhaltigen Gases und eines Inoculums durchführt.

(5) Verfahren nach Anspruch 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß man sauerstoffhaltiges Gas in die flüssige Phase einleitet.

(6) Verfahren nach Anspruch 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß man als Inoculum eine Hefe verwendet.

(7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -

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zeichnet , daß man die Hefe in einer solchen Menge zusetzt, daß ein maximales Hefewachstum ohne Zunahme des Sauerstoffgehalts auftritt.

(8) Verfahren nach Anspruch 7₅ dadurch gekennzeichnet , daß man die Hefe in einer Menge von 62,5 g/kg Kohlenhydrate in der löslichen Phase zugibt.

(9) Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, daß man die Fermentation bei einer Temperatur im Bereich von Baumtemperatur bis zu M-O⁰O durchführt.

(10) Verfahren nach Anspruch 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet , daß man die Fermentation bei einem pH-Wert im Bereich von 4 bis 6 durchführt.

(11) Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet , daß man den Sauerstoff in einer Geschwindigkeit einleitet, die ein maximales Wachstum der Hefe ermöglicht, aber nicht größer ist als die Geschwindigkeit des SauerstoffVerbrauchs.

(12) Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß man Ammoniak oder Ammoniumsalze und/oder lösliche phosphorsaure Salze zusetzt.

(13) Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß man die das Pigment enthaltende wäßrige Phase zur Erhöhung der Konzentration an Pigment auf ungefähr 2 Gew.-% einengt.

(14) Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch g e k e nn zeichnet , daß man die das Pigment enthaltende flüssige Phase zu einem trockenen Pulver aufarbeitet, in dem das Pigment in einer Konzentration von 1 bis

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Gew.-% vorliegt.

(15) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekenn zeichnet , daß man die wäßrige Phase vor der Aufarbeitung zu einem Pulver der umgekehrten Osmose, Holekularsiebung oder chromatographischen Trennung unterwirft.

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