DE3906853A1

DE3906853A1 - Verfahren zur herstellung von fettsaeureglyceriden

Info

Publication number: DE3906853A1
Application number: DE19893906853
Authority: DE
Inventors: Alfred Dr Struve; Horst Dr Elerdanz; Gerhard Dr Wollmann
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: Henkel AG and Co KGaA
Priority date: 1989-03-03
Filing date: 1989-03-03
Publication date: 1990-09-06
Also published as: WO1990009980A1; EP0461167A1; JPH04503823A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Fettsäureglyceriden, in denen die Fettsäurereste zu mindestens 40, insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% von Fettsäuren mit 18 bis 22 Kohlenstoffatomen und mehr als drei olefinischen Doppelbindungen, insbesondere von omega-3-Fettsäuren, abgeleitet sind, durch Umesterung von Fettsäuremethyl- oder Fettsäureethylestergemischen, in denen die Fettsäurereste zu mindestens 40, insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% von den Fettsäuren mit mindestens drei olefinischen Doppelbindungen, insbesondere den omega-3-Fettsäuren, abgeleitet sind, mit Glycerin in Gegenwart basischer Katalysatoren unter Schutzgas und Erhitzen.

Fettsäuregemische mit einem hohen Gehalt an mehr als drei olefinische Doppelbindungen aufweisenden, d.h. mehr als dreifach ungesättigten Fettsäuren, insbesondere an sogenannten omega-3-Fettsäuren, die Eicosapentaensäure (EPA) und Docosa hexaensäure (DHA) enthalten, einschließlich ihrer Derivate wie Alkylester und Glyceride, sind in jüngerer Zeit zur Prophylaxe von Herz/Kreislauferkrankungen eingesetzt worden.

Omega-3-Fettsäuren sind in Form ihrer Glyceride natürliche Bestandteile von seetierischen Fetten und Ölen, insbesondere von Fischölen; ihr Anteil an den Fetten und Ölen schwankt jedoch stark in Abhängigkeit von deren Herkunft. Fischöle mit höheren Anteilen an omega-3-Fettsäuren enthalten selten mehr als ca. 30 Gew.-% dieser Fettsäuren. Nun sind aber für den prophylaktischen Verzehr von Fischöl höhere Gehalte an omega-3-Fettsäuren erwünscht, um eine unnötige Zufuhr von Ballastfett zu vermeiden. Zur Erhöhung des Gehalts der ge nannten Fettsäuren in Fischölpräparaten sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden. So wird in Chemistry and Industry vom 7. März 1988, S. 139-145, die Anreicherung von omega-3-Fettsäureglyceriden in Fischölpräparaten durch lang sames Abkühlen (Winterisieren) der Fischöle beschrieben, weiterhin wird die Umwandlung der in den Fischölen vorhandenen Glyceride in Fettsäuren oder Fettsäureester, gefolgt von einer Abtrennung unerwünschter Bestandteile mittels Harnstoff und/oder einer Destillation, erläutert. Ein ähnliches Verfah ren ist in der US-C 43 77 526 beschrieben.

Die vorgenannten Verfahren benötigen zu ihrer Durchführung teilweise leicht entzündliche Lösemittel und zusätzliche Reagenzien; wegen der komplizierten Reinigungsschritte sind die Verfahrensprodukte zudem teuer. Weiterhin sind die Ver fahrensprodukte infolge ihres Gehaltes an freien omega-3-Fettsäuren bzw. Alkylestern derselben nicht identisch mit den omega-3-Fettsäureglyceriden der Ausgangsprodukte.

Es hat daher nicht an Versuchen gefehlt, die nach den oben erläuterten Verfahren erhaltenen Konzentrate von omega-3-Fettsäuren bzw. Ester derselben auf einfachere Weise herzustellen und diese wieder in Glyceride zu überführen. So wird in der Firmenzeitschrift BioTimes der Fa. Novo Industri A/S, Dänemark, Ausgabe September 1988, Seiten 2-3, die Um wandlung der Ethylester von omega-3-Fettsäuren in Glyceride beschrieben. Diese enzymatische Umesterung der Ethylester mit Fischölen eignet sich jedoch nicht ohne weiteres für die Herstellung von ethylesterfreien omega-3-Fettsäureglyceriden im großtechnischen Maßstab. Weiterhin beschreibt die JP-A 6 21 53 249 die Herstellung von EPA-Glyceriden aus den entsprechenden Ethylestern, wiederum durch Umesterung mit Fetten und unter Verwendung von Natriummethylat als Katalysator. Ome ga-3-Fettsäuren sind jedoch wegen ihrer zahlreichen Doppel bindungen gegen Alkali relativ empfindlich; die mit Natriummethylat als Katalysator bei höheren Temperaturen beobachtete Isomerisierung von Doppelbindungen führt zu einem Verlust an wertvollen omega-3-Fettsäuren. Außerdem ist die Entfernung des Natriummethylats bzw. der damit gebildeten Seifen aus dem durch Umesterung entstandenen Glyceridgemisch aufwendig. Nach dem beschriebenen Verfahren sind nicht ohne weiteres so hohe Konzentrationen an omega-3-Fettsäureglyce riden erhältlich wie bei einer Umesterung der Ethylester mit freiem Glycerin.

Aus der DE-A 37 16 590 ist ein Verfahren zur Herstellung von Triglyceriden durch Umesterung von Fettsäureestern mit Glycerin in Gegenwart von wasserfreiem Natriumcarbonat als Katalysator bekannt. Obwohl auch Natriumcarbonat, insbesondere in Form einer Lösung in Glycerin, eine ziemlich starke Base ist, wurde nun überraschenderweise gefunden, daß es sich zur Umsetzung von omega-3-Fettsäureestern mit Glycerin eignet, ohne daß dabei in nennenswertem Umfang Isomerisierungen der in den Fettsäuren enthaltenen Doppelbindungen auftreten. Die Entfernung des Katalysators nach der Umesterung ist hier zudem sehr einfach.

Demgemäß ist die Erfindung auf ein Verfahren der eingangs genannten Art gerichtet, bei dem man wasserfreies Natrium carbonat als basischen Katalysator verwendet. Dabei dient das für die Umesterung benötigte Glycerin als Lösemittel und als Reaktant.

Die Ausgangsverbindungen des Verfahrens der Erfindung, d.h. Methyl- oder Ethylestergemische mit einem Gehalt von minde stens 40, insbesondere mindestens 50 Gew.-%, bezogen auf den Gesamtgehalt der als Methyl- bzw. Ethylester gebundenen Fettsäuren, an mehr als dreifach ungesättigten, 18 bis 22 Kohlenstoffatome aufweisenden Fettsäuren, insbesondere omega-3-Fettsäuren, werden zweckmäßigerweise aus Fischölqua litäten mit einem relativ hohen Anteil an als Glyceride gebundenen, mehr als dreifach ungesättigten Fettsäuren erhal ten. Diese Fischöle werden zunächst, wie z.B. in J.A.O.C.S., Vol. 40, 197-198 (1962) oder in der US-C 43 77 526 be schrieben, mit Methanol oder Ethanol unter Verwendung von Natriummethylat bzw. -ethylat als Katalysator bei der Siede temperatur des Methanols oder Ethanols in die Methyl- bzw. Ethylester überführt. Nach Entfernung des Katalysators durch Auswaschen erfolgt anschließend eine Anreicherung der omega-3-Fettsäureester durch Destillation. Das dabei erhaltene Anreicherungsprodukt ist das Ausgangsprodukt des Verfahrens der Erfindung. Man kann jedoch selbstverständlich auch auf anderen Wegen angereicherte omega-3-Fettsäuremethyl- oder ethylester einsetzen, wie sie z.B. mit der oben beschriebenen Harnstoffanreicherung erhalten werden können. Bevorzugt verwendet man als Ausgangsprodukt die vorgenannten Ethylester.

Die Fettsäurereste der Ausgangs- und Endprodukte des Verfah rens der Erfindung, die nicht von den mehr als drei olefinische Doppelbindungen aufweisenden Fettsäuren bzw. von den omega-3-Fettsäuren abgeleitet sind, sind im wesentlichen Reste von gesättigten und/oder ungesättigten Fettsäuren mit 12 bis 30 Kohlenstoffatomen, die in Fischölen, z.B. Herings-, Sardinen- und Menhadenöl, als natürliche Bestandteile dersel ben vorkommen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung verwendet man bei der Umesterung ein molares Ver hältnis der Methyl- oder Ethylester der mehr als drei olefinische Doppelbindungen aufweisenden Fettsäuren zu Glycerin im Bereich von 3 : 1 bis 4,5 : 1, insbesondere 3,2 : 1 bis 3,5 : 1. Die Umesterung erfolgt vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 200°C, insbesondere von 170 bis 190°C. Der dabei freiwerdende Methyl- oder Ethylalkohol wird insbesondere bei leicht vermindertem Druck laufend destillativ aus dem Reaktionsgemisch entfernt.

Ein gegebenenfalls zuzugebender Überschuß an Methyl- oder Ethylester wird mit fortschreitender Reaktion hinzugefügt. Zur Beendigung der Reaktion kann es vorteilhaft sein, das Vakuum erheblich zu steigern, z.B. bis auf etwa 10 hPa. Die Reakti onstemperatur von maximal 200°C sollte zur Vermeidung von Isomerisierungen nicht überschritten werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfin dung reinigt man das Reaktionsprodukt der Umesterung durch Abfiltrieren des Natriumcarbonats, das in den erfindungsgemäß erhaltenen Triglyceriden nicht löslich ist. Es kann weiterhin vorteilhaft sein, vor dem Filtrieren bis zu 5 Gew.-%, bezogen auf das Reaktionsgemisch, Bleicherde hinzuzufügen. Nach dem Filtrieren wird der Methyl- oder Ethylesterüberschuß bei Temperaturen bis etwa 200°C im Hochvakuum, z.B. bei 0,001 bis 5 hPa, abdestilliert, vorzugsweise in einem Dünnschichtver dampfer unter Bedingungen einer Kurzwegdestillation.

Das Verfahren der Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

A. Herstellung der Ausgangsverbindungen.

Ausgangen wurden von einem chilenischen, halbraffinierten, nicht winterisierten, d.h. nicht durch langsames Abkühlen vorgereinigten Fischöl mit folgenden Analysenwerten:

Säurezahl
0,6
Verseifungszahl	189,1
Jodzahl	194,5

Die gaschromatographisch ermittelte Fettsäurezusammensetzung in dem Fischöl in Gew-%, bezogen auf die Methylester, war wie folgt (es werden hier nur die wichtigsten Inhaltsstoffe angegeben; die Fettsäuren werden durch ihre Kohlenstoffzahl m und die Anzahl der Doppelbindungen n (C_{m : n}) gekennzeichnet.

1000 g des vorgenannten Fischöls wurden mit 1500 g wasserfreiem Ethanol und 90 g 20%-iger ethanolischer Natriumethylat-Lösung 30 min am Rückfluß gekocht. Anschließend wurden 1200 g Ethanol abdestilliert. Die verbleibende Produktlösung wurde mit 1000 ml Wasser vermischt. Die sich oben absetzende Ölphase wurde abgetrennt und noch zweimal mit je 500 ml Wasser gewaschen. Anschließend wurde die Ölphase im Wasserstrahlvakuum bei 80°C getrocknet (Ausbeute 955 g) und im Hochvakuum bei ca. 0,1 hPa über Kopf destilliert; Siedepunkt des als Destillat I bezeichneten Produkts: 112-199°C.

Ausbeuten:
Destillat I: 937 g (98%)
Rückstandd I: 17 g (2%).

Das so vorgereinigte Umesterungsprodukt (Destillat I) wurde anschließend an einer 40 cm langen Kolonne, die mit Keramik- Sattelkörpern gefüllt war, im Hochvakuum fraktioniert. Die kürzerkettigen Ethylester bis zur Kettenlänge C₁₈ im Säurerest (Destillat II; Siedepunkt 102-161°C/ca. 0,1 hPa; 494 g (53%)) wurden weitgehend abdestilliert.

Im Kolben blieb ein Rückstand II zurück (438 g, 47%), der anschließend über Kopf als Destillat III destilliert wurde; Siedepunkt 160-196°C/ca. 0,1 hPa; 424 g, 97%. Im Kolben verblieben 10,3 g (2,4%); Rückstand III.

Im Destillat III waren die hoch ungesättigten Fettsäuren stark angereichert, wie sich aus der gaschromatographischen Analyse der Fettsäurezusammensetzung in Gew.-% von Destillat II und III ergab:

Das Destillat III wies die folgenden Kennzahlen auf:

Säurezahl
0,2
Verseifungszahl	165
Jodzahl	319

Die theoretische Ausbeute an EPA+DHA im Destillat III lag über 80%.

Beispiel

200 g (0,6 Mol) des oben erhaltenen Destillats III wurden in einem 500 ml-Kolben mit Tropftrichter, Thermometer, Destil lierbrücke und Stickstoffeinleitungsrohr vorgelegt und unter Stickstoffatmosphäre bei 250 hPA auf 180°C erhitzt. Hierzu wurden 0,9 g Natriumcarbonat, getrocknet über Calciumoxid und gelöst in 18 g (0,2 Mol) Glycerin, innerhalb einer Stunde zugetropft. Nach etwa 10 min begann die Destillation von Ethanol, das in einer eisgekühlten Vorlage aufgefangen wurde. Eine halbe Stunde nach Beendigung der Glycerin/Natriumcarbonat-Zufuhr wurden noch 20 g (0,06 Mol) Destillat III als 10%-iger Überschuß innerhalb einer Stunde zugetropft, um die Umsetzung des Glycerins zu vervollständi gen. Nach einer weiteren Stunde wurde das Vakuum auf 10 hPa eingestellt; anschließend wurde die Temperatur noch 1,5 h bei 180°C gehalten.

Das Produkt wurde abgekühlt; anschließend wurde es mit 1% Bleicherde 15 min bei 60°C gerührt sowie unter Vorlegen einer dünnen Auflage von Natriumsulfat auf einer Nutsche abfil triert. Die Ausbeute betrug 202 g. Das überschüssige Produkt gemäß Destillat III bzw. nicht umgesetzter Ethylester (insge samt 38 g) wurde in einem Dünnschichtverdampfer unter Kurz- wegdestillationsbedingungen bei 190°C und einem Vakuum von ca. 0,2 hPa abdestilliert. Der Rückstand aus dem Dünnschichtver dampfer wurde nochmals mit 1% Bleicherde 15 min bei 60°C behandelt und filtriert. Man erhielt 162 g eines Glyceridkonzentrates mit folgenden Analysenwerten:

Die gaschromatographische Analyse der omega-3-Fettsäuren im Reaktionsprodukt ergab folgende Verteilung in Gew.-%, bezogen auf die Methylester:

Der Umsetzungsgrad lag bei ca. 85%. Das Produkt war gut kältestabil; auch nach längerem Stehen bei 6°C schied sich nur eine äußerst geringe Kristallmenge ab.

Sämtliche der oben genannten Reaktionen zur Herstellung der Ausgangs- und der Endprodukte wurden konsequent unter Schutz gas (Stickstoffatmosphäre) durchgeführt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Fettsäureglyceriden, in denen die Fettsäurereste zu mindestens 40, insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% von Fettsäuren mit 18 bis 22 Kohlen stoffatomen und mehr als drei olefinischen Doppelbin dungen, insbesondere von omega-3-Fettsäuren, abgeleitet sind, durch Umesterung von Fettsäuremethyl- oder Fett säureethylestergemischen, in denen die Fettsäurereste zu mindestens 40, insbesondere zu mindestens 50 Gew.-% von den Fettsäuren mit mindestens drei olefinischen Doppel bindungen, insbesondere den omega-3-Fettsäuren, abgeleitet sind, mit Glycerin in Gegenwart basischer Katalysatoren unter Schutzgas und Erhitzen, dadurch gekennzeichnet, daß man als basischen Katalysator wasserfreies Natriumcarbonat verwendet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Umesterung ein molares Verhältnis der Methyl- oder Ethylester zu Glycerin im Bereich von 3 : 1 bis 4,5 : 1, insbesondere 3,2 : 1 bis 3,5 : 1, verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umesterung bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 200°C, insbesondere von 170 bis 190°C, durchführt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Reaktionsprodukt der Umesterung durch Abfiltrieren des Natriumcarbonats, gegebenenfalls gefolgt von einer Destillation nicht umgesetzter Methyl- oder Ethylester, reinigt.