NO320145B1 - Process for the preparation of tagatose - Google Patents

Process for the preparation of tagatose Download PDF

Info

Publication number
NO320145B1
NO320145B1 NO20040149A NO20040149A NO320145B1 NO 320145 B1 NO320145 B1 NO 320145B1 NO 20040149 A NO20040149 A NO 20040149A NO 20040149 A NO20040149 A NO 20040149A NO 320145 B1 NO320145 B1 NO 320145B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
galactose
tagatose
lactose
glucose
temperature
Prior art date
Application number
NO20040149A
Other languages
Norwegian (no)
Other versions
NO20040149L (en
Inventor
Hans Berthelsen
Kristian Eriknauer
Karen Bottcher
Hans Jorgen Singel Christensen
Ole Cai Hansen
Flemming Jorgensen
Peter Stougaard
Original Assignee
Arla Foods Amba
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/DK2002/000497 external-priority patent/WO2003008617A1/en
Application filed by Arla Foods Amba filed Critical Arla Foods Amba
Publication of NO20040149L publication Critical patent/NO20040149L/en
Publication of NO320145B1 publication Critical patent/NO320145B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12YENZYMES
    • C12Y302/00Hydrolases acting on glycosyl compounds, i.e. glycosylases (3.2)
    • C12Y302/01Glycosidases, i.e. enzymes hydrolysing O- and S-glycosyl compounds (3.2.1)
    • C12Y302/01108Lactase (3.2.1.108)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/14Hydrolases (3)
    • C12N9/24Hydrolases (3) acting on glycosyl compounds (3.2)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N9/00Enzymes; Proenzymes; Compositions thereof; Processes for preparing, activating, inhibiting, separating or purifying enzymes
    • C12N9/90Isomerases (5.)
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P19/00Preparation of compounds containing saccharide radicals
    • C12P19/02Monosaccharides

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
  • Acyclic And Carbocyclic Compounds In Medicinal Compositions (AREA)

Description

Foreliggende oppfinnelse angår enzymatisk fremstilling av tagatose, spesielt D-tagatose. D-tagatose er et lavkalori bulksøtningsstoff med mange anvendelsesområder som har ikke-kariogene og prebiotiske egenskaper. D-tagatose kan anvendes i næringsmidler og funksjonelle næringsmidler så vel som i legemidler, jfr. US 4786722, US 5356879 og US 5447917. The present invention relates to the enzymatic production of tagatose, especially D-tagatose. D-tagatose is a low-calorie bulk sweetener with many applications that has non-cariogenic and prebiotic properties. D-tagatose can be used in foodstuffs and functional foodstuffs as well as in pharmaceuticals, cf. US 4786722, US 5356879 and US 5447917.

Ifølge US 5002612 og US 5078796 har D-tagatose blitt fremstilt ved å hydrolysere lactose eller et lactose-inneholdende materiale til en blanding av galaktose og glykose ved anvendelse av en lactase, eventuelt ved å fjerne glykose fulgt av kjemisk isomerisering av galaktose til tagatose. According to US 5002612 and US 5078796, D-tagatose has been prepared by hydrolysing lactose or a lactose-containing material to a mixture of galactose and glucose using a lactase, optionally by removing glucose followed by chemical isomerization of galactose to tagatose.

US 6057135 beskriver fremstilling av D-tagatose fra ostemyse eller melk, som hydrolyseres for å fremstille en blanding av galaktose og glukose. Glukose separeres fra galaktosen ved fermentering av glukose og utsettes for isomerisering ved anvendelse av L-arabinoseisomerase. US 6057135 describes the production of D-tagatose from cheese whey or milk, which is hydrolysed to produce a mixture of galactose and glucose. Glucose is separated from galactose by fermentation of glucose and subjected to isomerization using L-arabinose isomerase.

I et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for fremstilling av tagatose som innbefatter a) hydrolysering av laktose eller et laktoseinneholdende utgangsmateriale for å oppnå galaktose og glukose, b) isomerisering av den oppnådde galaktosen med en L-arabinoseisomerase, og c) kromatografisk separering av produkter og ikke-omdannede forbindelser og resirkulering av ikke-omdannede forbindelser til prosessen. In a first aspect of the invention, there is provided a method for the production of tagatose which includes a) hydrolyzing lactose or a lactose-containing starting material to obtain galactose and glucose, b) isomerization of the obtained galactose with an L-arabinose isomerase, and c) chromatographic separation of products and unconverted compounds and recycling of unconverted compounds to the process.

I et annet aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte hvori trinn a) og b) utføres i en reaktor. In another aspect of the invention, a method is provided in which steps a) and b) are carried out in a reactor.

I et ytterligere aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for fremstilling av D-tagatose. In a further aspect of the invention, a method for the production of D-tagatose is provided.

I enda et ytterligere aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte, hvori L-arabinose isomerasen som anvendes i trinn b) er termofil. In yet another aspect of the invention, a method is provided, in which the L-arabinose isomerase used in step b) is thermophilic.

I enda et ytterligere aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte hvori laktasen som anvendes i trinn a) er termofil. In yet another aspect of the invention, a method is provided in which the lactase used in step a) is thermophilic.

I enda et ytterligere aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte hvori temperaturen som anvendes i trinn(ene) a) og/eller b) er 40 - 90°C. In yet another aspect of the invention, a method is provided in which the temperature used in step(s) a) and/or b) is 40 - 90°C.

Ytterligere aspekter av oppfinnelsen vises i de etterfølgende krav. Further aspects of the invention appear in the following claims.

Figur 1 viser fremgangsmåten i eksempel 1 skjematisk, Figure 1 shows the procedure in example 1 schematically,

Figur 2 viser fremgangsmåten i eksempel 2 skjematisk, og Figure 2 shows the procedure in example 2 schematically, and

Figur 3 viser fremgangsmåten i eksempel 3 skjematisk. Figure 3 shows the procedure in example 3 schematically.

Figur 4 viser resultatet av eksempel 4. Figure 4 shows the result of example 4.

Det har overraskende blitt funnet at det er mulig å anvende kromatografisk separering og gjenvinning i en enzymatisk fremgangsmåte for fremstilling av tagatose. På denne måten oppnås høyere utbytter og en renere fremgangsmåte. Det totale utbyttet så vel som utbyttet for hver syklus, er høyere. It has surprisingly been found that it is possible to use chromatographic separation and recovery in an enzymatic process for the preparation of tagatose. In this way, higher yields and a cleaner process are achieved. The total yield as well as the yield for each cycle is higher.

Ved anvendelsen av denne prosessen er det mulig å gjenvinne og anvende hvilken som helst ikke-omdannet laktose og galaktose. Det er også mulig å separere produktene, tagatose og hvilke som helst biprodukter, spesielt glukose fra galaktose og anvendelsen av glukose for andre formål. By using this process it is possible to recover and use any unconverted lactose and galactose. It is also possible to separate the products, tagatose and any by-products, especially glucose from galactose and the use of glucose for other purposes.

Utgangsmaterialet kan være hvilken som helst laktose eller laktoseinneholdende materiale. The starting material can be any lactose or lactose-containing material.

Laktose er et biprodukt fra ostefremstilling. Denne fremgangsmåten gir mulighet for å omdanne laktose, et produkt med lav verdi som er produsert i overflod, til et produkt med høy verdi med egenskaper som er nyttige for mennesker. Dette er en måte å anvende laktose. Man har lenge prøvd å finne muligheter for anvendelse av laktose. Lactose is a by-product of cheese making. This process provides the opportunity to convert lactose, a low-value product that is produced in abundance, into a high-value product with properties useful to humans. This is one way of using lactose. People have long tried to find possibilities for the use of lactose.

Fremgangsmåten involverer enzymatisk hydrolyse av laktose, enzymatisk omdannelse av galaktose til tagatose og eventuelt kromatografisk separering med gjenvinning av ikke-omdannede produkter. The process involves enzymatic hydrolysis of lactose, enzymatic conversion of galactose to tagatose and possibly chromatographic separation with recovery of unconverted products.

Konsumeringen av kjemikalier etc. er lav. The consumption of chemicals etc. is low.

Produksjonen av biprodukter er lav. Kun ett biprodukt produseres, nemlig glukose som en glukosesirup/-pulver, som kan anvendes som næringsmiddel. The production of by-products is low. Only one by-product is produced, namely glucose as a glucose syrup/powder, which can be used as food.

Det er mulig å utføre hele reaksjonen i en reaktor som inneholder enzymer for hydrolyse av laktose så vel som isomerisering av galaktose. På denne måten kombineres trinn a) og trinn b). It is possible to carry out the entire reaction in a reactor containing enzymes for hydrolysis of lactose as well as isomerization of galactose. In this way, step a) and step b) are combined.

Ved å gjøre dette forbedres hele prosessen med hensyn til utbytte pr. enhetstime. Galaktose fjernes kontinuerlig fra reaktoren ved dens isomerisering til tagatose som på denne måten reduserer konsentrasjonen av galaktose som ellers ville redusere effekten av laktasen og resultere i en reduksjon av omdannelsen av laktose til galaktose og glukose. Det er mulig å utføre prosessen ved en høy konsentrasjon (Brix) på grunn av den høye prosesstemperaturen. Evaporeringskapasiteten ville bli spart, noe. som igjen vil resultere i forbedret økonomi med hensyn til investering og arbeid. Den økte sukkerkonsentrasjonen har dessuten den effekten at anvendelsen av konserveringsmidler kan reduseres. Også første kromatografiske separeringen vil bli overflødig, som igjen betyr forbedret økonomi med hensyn til investering og løpetid. By doing this, the entire process is improved in terms of yield per unit hour. Galactose is continuously removed from the reactor by its isomerization to tagatose which in this way reduces the concentration of galactose which would otherwise reduce the effect of the lactase and result in a reduction of the conversion of lactose to galactose and glucose. It is possible to carry out the process at a high concentration (Brix) due to the high process temperature. The evaporation capacity would be saved, somewhat. which in turn will result in improved finances in terms of investment and work. The increased sugar concentration also has the effect that the use of preservatives can be reduced. The first chromatographic separation will also be redundant, which in turn means improved economy in terms of investment and duration.

Spesielt er en enzymatisk omdanning av laktose til glukose og galaktose med etterfølgende isomerisering av galaktosen til tagatose i samme enzymreaktor blitt vist. De innledende undersøkelser bekreftet at LacS laktase-enzym og L-arabinose isomerase fra T. mathranii kunne fungere under identiske metallion-, buffer- og temperatur-betingelser. Prinsippet ble deretter undersøkt ved inkubering av en 800 mM laktoseoppløsning (28%) med immobilisert laktase og immobilisert isomerase. Prøver ble analysert med hensyn til deres innhold av laktose, glukose, galaktose og tagatose ved hjelp av HPLC. I løpet av 24 timers inkubering økte konsentrasjonen av glukose til ca. 800 mM hvilket indikerer at all laktose ble spaltet. Konsentrasjonene av galaktose og tagatose økte begge lineært til ca. 300 mM. Følgelig var omdanningsgraden (300/800) x 100% = 38%. In particular, an enzymatic conversion of lactose to glucose and galactose with subsequent isomerization of the galactose to tagatose in the same enzyme reactor has been shown. The initial investigations confirmed that LacS lactase enzyme and L-arabinose isomerase from T. mathranii could function under identical metal ion, buffer and temperature conditions. The principle was then investigated by incubating an 800 mM lactose solution (28%) with immobilized lactase and immobilized isomerase. Samples were analyzed for their lactose, glucose, galactose and tagatose content by HPLC. During 24 hours of incubation, the concentration of glucose increased to approx. 800 mM indicating that all the lactose was split. The concentrations of galactose and tagatose both increased linearly to approx. 300 mM. Consequently, the conversion rate was (300/800) x 100% = 38%.

Ytterligere enzym kan overføres i den samme reaktoren, en såkalt kombireaktor. Additional enzyme can be transferred in the same reactor, a so-called combi reactor.

Tagatosen er spesielt D-tagatose, og det er stor etterspørsel etter den i næringsmiddelindustrien. The tagatose is particularly D-tagatose, and there is great demand for it in the food industry.

Alle laktaser kan anvendes i trinn a). Eksempler er enzymer avledet fra gruppen som består av Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter, Thermus og Pyrococcus. All lactases can be used in step a). Examples are enzymes derived from the group consisting of Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter, Thermus and Pyrococcus.

Alle L-arabinoseisomeraser kan anvendes i trinn b). Eksempler er enzymer avledet fra gruppen som består av Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter og Thermotoga. Enzymene kan anvendes i en hvilken som helst form. For eksempel er det mulig å anvende immobiliserte enzymer. All L-arabinose isomerases can be used in step b). Examples are enzymes derived from the group consisting of Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter and Thermotoga. The enzymes can be used in any form. For example, it is possible to use immobilized enzymes.

Biotechnologisk Institute, Danmark, kan levere anvendbare laktaser og L-arabinoseisomeraser. The Biotechnological Institute, Denmark, can supply usable lactases and L-arabinose isomerases.

Biotechnologisk Institute, Danmark har funnet og undersøkt et enzym avledet fra Thermoanaerobacter mathranii, Thermoanaerobacter mathranii DSM 11426. De har innlevert en US patentsøknad nr. 09/905,108 som dekker oppfinnelsen. The Biotechnological Institute, Denmark has found and investigated an enzyme derived from Thermoanaerobacter mathranii, Thermoanaerobacter mathranii DSM 11426. They have filed a US patent application No. 09/905,108 covering the invention.

Km verdier for T. mathranii enzym på D-galaktose er lavere enn verdier for enzymer fra vanlige organismer som produserer L-arabinose isomerase, slik som Aerobacter aerogenes, Bacillus amyloliquefaciens, Arthrobacter sp og Lactobacillus pentosus. Derfor har T. mathranii en bedre affinitet. Km values for T. mathranii enzyme on D-galactose are lower than values for enzymes from common organisms that produce L-arabinose isomerase, such as Aerobacter aerogenes, Bacillus amyloliquefaciens, Arthrobacter sp and Lactobacillus pentosus. Therefore, T. mathranii has a better affinity.

Det sistnevnte enzymet er termofilt. The latter enzyme is thermophilic.

En ytterligere fordel ved å anvende termofile enzymer er muligheten av å anvende høy prosesstemperatur hvor oppløseligheten av laktose og glukose er høyere. Dette betyr at mer konsentrerte produkter kan anvendes for den enzymatiske prosessen av oppfinnelsen. Dette betyr igjen mindre vannforbruk og mindre vann for evaporering. Dette vil gi tekniske fordeler og mindre behov for vann og energi med hensyn til oppvarming og kjøling av prosesstrømmer. A further advantage of using thermophilic enzymes is the possibility of using a high process temperature where the solubility of lactose and glucose is higher. This means that more concentrated products can be used for the enzymatic process of the invention. This in turn means less water consumption and less water for evaporation. This will provide technical advantages and less need for water and energy with regard to heating and cooling process streams.

Anvendelsen av termofile enzymer har ytterligere gjort det mulig å arbeide ved en høyere temperatur. Dette fører til en bedre hygiene på grunn av redusert risiko for kontaminering med skadelige mikroorganismer. Ytterligere oppnås en økt omdannelse av galaktose til tagatose med høyere temperaturer sammenlignet med omdannelsen av arabinose til ribulose. I tillegg kan det også være tekniske fordeler som lettere flyt og raskere filtrering. The use of thermophilic enzymes has further made it possible to work at a higher temperature. This leads to better hygiene due to a reduced risk of contamination with harmful microorganisms. Furthermore, an increased conversion of galactose to tagatose is achieved at higher temperatures compared to the conversion of arabinose to ribulose. In addition, there may also be technical advantages such as easier flow and faster filtration.

Det er således foretrukket å anvende enzymer som har optimale utbytter ved høye temperaturer i trinnene a) og/eller i trinn b). Dette vil vanligvis gi en raskere reaksjon. Videre er det mulig å rense systemet ved anvendelse av høye temperaturer, for eksempel pasteuriseringstemperaturer, som vanligvis anvendes i meieriindustrien eller temperaturer over 100°C, hvis enzymene er termofile eller til og med ekstremofile. It is thus preferred to use enzymes that have optimal yields at high temperatures in steps a) and/or in step b). This will usually result in a faster response. Furthermore, it is possible to purify the system using high temperatures, for example pasteurization temperatures, which are usually used in the dairy industry or temperatures above 100°C, if the enzymes are thermophilic or even extremophilic.

Hvis det ikke er noen eller kun liten temperaturforskjell mellom temperaturtrinn a) og If there is no or only a small temperature difference between temperature steps a) and

b), reduseres energien for kjøling og oppvarming. Produksjonsprosessen kan således kjøres ved temperaturer over 60°C. Dette har brede implikasjoner for mikrobiologien b), the energy for cooling and heating is reduced. The production process can thus be run at temperatures above 60°C. This has broad implications for microbiology

og forbruket av damp og saltoppløsning for oppvarming og kjøling. and the consumption of steam and brine for heating and cooling.

Temperaturen som anvendes i trinn(ene) a) og/eller b) er 40 - 90°C. Vanligvis er den 60 - 90°C. Fortrinnsvis er temperaturen 60 - 80°C, mer foretrukket 65 - 70°C, og mest foretrukket er temperaturen 65°C. Likevel vil temperaturen være avhengig av de valgte enzymer og den kan være forskjellig i trinn a) og b). Som nevnt over, oppnås noen fordeler ved å anvende samme temperatur i begge trinn, hvilket inkluderer utforming av begge trinn simultant i en reaktor. The temperature used in step(s) a) and/or b) is 40 - 90°C. Usually it is 60 - 90°C. Preferably the temperature is 60 - 80°C, more preferably 65 - 70°C, and most preferably the temperature is 65°C. Nevertheless, the temperature will depend on the selected enzymes and it may be different in steps a) and b). As mentioned above, some advantages are achieved by using the same temperature in both stages, which includes designing both stages simultaneously in one reactor.

I motsetning til kjemisk omdannelse av galaktose til tagatose, kan prosessen kjøres ved en pH-verdi som er optimal for sukkere. Det reduserer produksjonen av sukkernedbrytningsproduktet betydelig. Som et resultat forbedres gjenvinning og økonomien. En typisk pH-verdi er ca. 7,0. Anvendbare pH-verdier og andre reaksjonsparametere finnes for eksempel US 6057135. Yamanaka, K and Wood, W.A. In contrast to the chemical conversion of galactose to tagatose, the process can be run at a pH value that is optimal for sugars. It significantly reduces the production of the sugar breakdown product. As a result, recycling and the economy are improved. A typical pH value is approx. 7.0. Useful pH values and other reaction parameters can be found, for example, in US 6057135. Yamanaka, K and Wood, W.A.

(1966) Methods in Enzymology 9: 596-602, som har en liste med et antall melkesyrebakterier som danner et L-arabinose isomeraseenzym som er i stand til å produsere ketoser fra blant annet D-galaktose. (1966) Methods in Enzymology 9: 596-602, which lists a number of lactic acid bacteria which produce an L-arabinose isomerase enzyme capable of producing ketoses from, among others, D-galactose.

Produktet av oppfinnelsen i form av sirup er så ren at det er mulig å anvende direkte tagatosesiruper. Hittil har det vært nødvendig å rense produktet, for eksempel ved krystallisering av den urene sirupen og oppløse eller solubilisere den igjen. The product of the invention in the form of syrup is so pure that it is possible to use tagatose syrups directly. Until now, it has been necessary to purify the product, for example by crystallizing the impure syrup and dissolving or solubilizing it again.

Som nevnt over, kan D-tagatose bli fremstilt fra en laktoseinneholdende kilde (for eksempel ostemyse, kaseinmyse eller melk). Laktose hydrolyseres til like mengder av galaktose og glukose ved hjelp av laktasen som kan være immobilisert laktase. As mentioned above, D-tagatose can be prepared from a lactose-containing source (for example, whey, casein whey or milk). Lactose is hydrolysed to equal amounts of galactose and glucose with the help of lactase, which can be immobilized lactase.

Galaktose separeres fortrinnsvis fra glukose ved kromatografi. Ikke-hydrolysert laktose kan separeres og gjenvinnes i enzymkolonnen. Galaktosen isomeriseres til tagatose ved hjelp av valgfritt L-arabinoseisomerase. Ikke-isomerisert galaktose kan separeres ved hjelp av kromatografi og gjenvinnes. Fraksjonen som inneholder D-tagatose krystalliseres. Krystallene separeres fra moderniten og tørkes. Moderniten som har en stor andel av tagatose, kan gjenvinnes/gjenkrystalliseres. Det er også mulig å anvende tagatosen direkte som er fremstilt som sirup i næringsmiddelprodukter for mennesker eller andre formål. Galactose is preferably separated from glucose by chromatography. Non-hydrolyzed lactose can be separated and recovered in the enzyme column. The galactose is isomerized to tagatose with the help of optional L-arabinose isomerase. Non-isomerized galactose can be separated by chromatography and recovered. The fraction containing D-tagatose is crystallized. The crystals are separated from the modernity and dried. The modernity, which has a large proportion of tagatose, can be recovered/recrystallized. It is also possible to use tagatose directly, which has been prepared as a syrup, in food products for humans or other purposes.

Således har man funnet en effektiv enzymatisk prosedyre kombinert med kromatografi for fremstilling av tagatose i høye utbytter og i en meget ren form i en eller to reaktorer. Fremgangsmåten har spesielle fordeler hvis den utføres med termofile/ekstremofile enzymer. Thus, an efficient enzymatic procedure combined with chromatography has been found for the production of tagatose in high yields and in a very pure form in one or two reactors. The method has particular advantages if it is carried out with thermophilic/extremophilic enzymes.

Den nye fremgangsmåten for fremstilling av tagatose er meget effektiv og ren på grunn av en spesifikk enzymatisk omdanning kombinert med gjenvinning av ikke-omdannede produkter. Prosessen er ekstremt effektiv og miljøvennlig. The new method for the production of tagatose is very efficient and clean due to a specific enzymatic conversion combined with the recovery of non-converted products. The process is extremely efficient and environmentally friendly.

EKSEMPLER EXAMPLES

Eksempel 1 Example 1

Hydrolyse av laktose med resirkulering Hydrolysis of lactose with recycling

Isomerisering av galaktose med resirkulering Isomerization of galactose with recycling

1. Laktose fremstilles fra mye ved ultrafilrrering fulgt av krystallisering. 1. Lactose is produced from bulk by ultrafiltration followed by crystallization.

2. En oppløsning av laktose i vann (8-40% DS) hydrolyseres ved hjelp av immobilisert laktase ved høy eller lav temperatur (enten ved hjelp av et enzym fra Aspergillus oryzae eller en termofil organisme). 3. Glykose og galaktose separeres ved hjelp av kromatografi. Avhengig av konsentrasjonen av foringsmengden kan det være nødvendig å kjøre et konsentreringstrinn for eksempel ved evaporering. 4. Laktose og mulige galaktooligosakkarider gjenvinnes i kolonnen som inneholder immobilisert enzym. 5. Hvis konsentrasjonen av oligosakkarider i gjenvinningsloopen er for høy (hydrolysen påvirkes på uønsket måte), spyles systemet. 6. Fraksjonen som inneholder glukose og galaktose isomeriseres ved hjelp av immobilisert galaktoseisomerase (fra en termofil organisme) 2. A solution of lactose in water (8-40% DS) is hydrolysed using immobilized lactase at high or low temperature (either using an enzyme from Aspergillus oryzae or a thermophilic organism). 3. Glucose and galactose are separated using chromatography. Depending on the concentration of the lining quantity, it may be necessary to run a concentration step, for example by evaporation. 4. Lactose and possible galactooligosaccharides are recovered in the column containing immobilized enzyme. 5. If the concentration of oligosaccharides in the recovery loop is too high (the hydrolysis is affected in an undesirable way), the system is flushed. 6. The fraction containing glucose and galactose is isomerized using immobilized galactose isomerase (from a thermophilic organism)

7. Blandingen konsentreres for eksempel ved hjelp av evaporering. 7. The mixture is concentrated, for example, by means of evaporation.

8. Tagatose separeres ved hjelp av kromatografi. 8. Tagatose is separated by chromatography.

9. Tagatosefraksjon konsentreres og muligens krystalliseres. 9. Tagatose fraction is concentrated and possibly crystallized.

10. Glukosefraksjonen kan konsentreres for salg som en sirup eller den kan ytterligere bearbeides. 10. The glucose fraction can be concentrated for sale as a syrup or it can be further processed.

11. Galaktosefraksj onen resirkuleres til isomerasekolonnen. 11. The galactose fraction is recycled to the isomerase column.

Eksempel 2 Example 2

Hydrolyse av laktose uten resirkulering Hydrolysis of lactose without recycling

med følgende isomerisering with the following isomerization

1. Laktose fremstilles fra myse ved ultrafiltrering fulgt av krystallisering. 2. En oppløsning av laktose i vann (8 - 40% DS) hydrolyseres ved hjelp av immobilisert laktase (enzymet stammer fra Aspergillus oryzae). 3. Blandingen som inneholder ca. 46% glukose, 46% galaktose føres gjennom en kolonne som inneholder immobilisert galaktoseisomerase (fra en termofil organisme). Ca. 30% av galaktosen omdannes til tagatose. 4. Produktet separeres i 3 fraksjoner ved konsentrering og kromatografisk separering: • Fraksjon 1 inneholder hovedsakelig ikke-omdannet galaktose. Denne fraksjonen resirkuleres i galaktoseisomerasekolonnen • Fraksjon 2 inneholder hovedsakelig tagatose. Denne fraksjonen konsentreres for krystallisering eller den selges som sirup. • Fraksjon 3 inneholder hovedsakelig glukose, men også galaktooligosakkarider fremstilt av laktaseenzymet så vel som ikke-omdannet laktose. Denne fraksjonen konsentreres for salg som sirup eller for ytterligere prosessering, som krystallisering eller tørking. 1. Lactose is produced from whey by ultrafiltration followed by crystallization. 2. A solution of lactose in water (8 - 40% DS) is hydrolysed using immobilized lactase (the enzyme originates from Aspergillus oryzae). 3. The mixture containing approx. 46% glucose, 46% galactose is passed through a column containing immobilized galactose isomerase (from a thermophilic organism). About. 30% of the galactose is converted to tagatose. 4. The product is separated into 3 fractions by concentration and chromatographic separation: • Fraction 1 mainly contains unconverted galactose. This fraction is recycled in the galactose isomerase column • Fraction 2 contains mainly tagatose. This fraction is concentrated for crystallization or it is sold as syrup. • Fraction 3 contains mainly glucose, but also galactooligosaccharides produced by the lactase enzyme as well as unconverted lactose. This fraction is concentrated for sale as syrup or for further processing, such as crystallization or drying.

Eksempel 3 Example 3

Hydrolyse og isomerisering i en reaktor Hydrolysis and isomerization in a reactor

1. Laktose produseres fra myse ved ultrafiltrering fulgt av krystallisering. 2. En oppløsning av laktose i vann føres gjennom en kolonne som inneholder immobilisert laktase og L-arabinoseisomerase (begge enzymer stammer fra termofile organismer). 3. Produktet separeres i 3 fraksjoner ved konsentrering og kromatografisk separering: • Fraksjon 1 inneholder hovedsakelig ikke-omdannet galaktose. Denne fraksjonen resirkuleres i kolonnen for enzymatisk omdanning. • Fraksjon 2 inneholder hovedsakelig tagatose. Denne fraksjonen konsentreres for krystallisering eller den selges som en sirup. 1. Lactose is produced from whey by ultrafiltration followed by crystallization. 2. A solution of lactose in water is passed through a column containing immobilized lactase and L-arabinose isomerase (both enzymes are derived from thermophilic organisms). 3. The product is separated into 3 fractions by concentration and chromatographic separation: • Fraction 1 mainly contains unconverted galactose. This fraction is recycled in the column for enzymatic conversion. • Fraction 2 mainly contains tagatose. This fraction is concentrated for crystallization or it is sold as a syrup.

Fraksjon 3 inneholder hovedsakelig glukose, men også Fraction 3 mainly contains glucose, but also

galaktooligosakkarider fremstilt av laktaseenzymet så vel som ikke-omdannet laktose. Denne fraksjonen konsentreres for salg som en sirup eller for ytterligere prosessering som krystallisering eller tørking. galactooligosaccharides produced by the lactase enzyme as well as unconverted lactose. This fraction is concentrated for sale as a syrup or for further processing such as crystallization or drying.

Eksempel 4 Example 4

En- reaktoromdanning av laktose til tagatose med immobilisert laktase og immobilisert isomerase One-reactor conversion of lactose to tagatose with immobilized lactase and immobilized isomerase

P-glykosidasen som koder for genet fra Sulfolobus solfataricus (Moracci M, Ciaramella M, and Rossi M. [2001] Methods in Enzymology vol. 330, s. 201 - 15) ble klonet og uttrykt i E. coli. Genet ble isolert ved hjelp av polymerasekjedereaksjon (PCR) ved anvendelse av renset kromosomalt DNA fra Sulfolobus solfataricus stamme P2. Primere som inneholder ytterligere restriksjonsseter for Ndelog BamHl ble laget for å gi den hele kodesekvens på et fragment som i det følgende ble klonet i et standard ekspresjonsplasmid pET3a (Novagen). The P-glycosidase encoding gene from Sulfolobus solfataricus (Moracci M, Ciaramella M, and Rossi M. [2001] Methods in Enzymology vol. 330, pp. 201 - 15) was cloned and expressed in E. coli. The gene was isolated by polymerase chain reaction (PCR) using purified chromosomal DNA from Sulfolobus solfataricus strain P2. Primers containing additional restriction sites for Ndelog BamH1 were designed to provide the entire coding sequence on a fragment which was subsequently cloned into a standard expression plasmid pET3a (Novagen).

E. coli celler som uttrykker enzymet ble kultivert, høstet ved sentrifugering, lysert i en French trykkcelle og kryssbundet med glutaraldehyd og polyetylenimin som beskrevet i US 5.354.105. Det immobiliserte enzymet ble gjenvunnet ved sentrifugering og lyofilisering av pellet. Aktiviteten til den immobiliserte laktasen var 1500 enheter/g tørrvekt. En enhet ble definert som mengden enzym som frigir ett mikromol glykose pr. min. ved 65°C, pH 7, i en 30% (vekt/volum) oppløsning av laktose. L-arabinoseisomerasegenet fra Thermoanaerobacter mathranii ble klonet og uttrykt i E. coli som beskrevet i US patentsøknad nr. US 09/905.108 (Biotechnological Institute, Danmark). E. coli cells expressing the enzyme were cultured, harvested by centrifugation, lysed in a French pressure cell and cross-linked with glutaraldehyde and polyethyleneimine as described in US 5,354,105. The immobilized enzyme was recovered by centrifugation and lyophilization of the pellet. The activity of the immobilized lactase was 1500 units/g dry weight. One unit was defined as the amount of enzyme that releases one micromole of glucose per my. at 65°C, pH 7, in a 30% (w/v) solution of lactose. The L-arabinose isomerase gene from Thermoanaerobacter mathranii was cloned and expressed in E. coli as described in US Patent Application No. US 09/905,108 (Biotechnological Institute, Denmark).

E. coli celler som uttrykker enzymet ble kultivert, høstet ved hjelp av sentrifugering, lysert i en French trykkcelle og kryssbundet med glutaraldehyd og polyetylenimin som beskrevet i US 4.354.105. Det immobiliserte enzymet ble gjenvunnet ved hjelp av sentrifugering og lyofilisering av pelleten. Aktiviteten til den immobiliserte L-arabinoseisomerasen var 50 enheter/g tørrvekt. En enhet ble definert som mengden av enzym som produserer en mikromol D-tagatose pr. min. ved 65°C, pH 7, i en 30% (w/v) oppløsning av D-galaktose. E. coli cells expressing the enzyme were cultured, harvested by centrifugation, lysed in a French pressure cell and cross-linked with glutaraldehyde and polyethyleneimine as described in US 4,354,105. The immobilized enzyme was recovered by centrifugation and lyophilization of the pellet. The activity of the immobilized L-arabinose isomerase was 50 units/g dry weight. One unit was defined as the amount of enzyme that produces one micromole of D-tagatose per my. at 65°C, pH 7, in a 30% (w/v) solution of D-galactose.

En-milliliter prøveblandinger som inneholder 20 mg immobilisert laktase, 80 mg immobilisert isomerase, 0,30 g laktose (30%, 875 mM), 25 mM K-maleatbuffer, pH 6,9 og 5 mM MnCb ble inkubert ved 65°C. En kontrollprøve uten enzymer ble behandlet på samme måte. Periodisk ble prøver tatt og konsentrasjonene av glukose, galaktose og tagatose ble bestemt ved høyt trykk flytende kromatografi ved anvendelse av en Aminex HPX-87C kolonne (Bio-Rad) og en refraksjonsindeks detektor (Waters 410). Den mobile fasen var avionisert, avgasset vann, kolonnetemperaturen var 85°C, og strømningshastigheten var 0,6 ml/min.. One-milliliter sample mixtures containing 20 mg immobilized lactase, 80 mg immobilized isomerase, 0.30 g lactose (30%, 875 mM), 25 mM K-maleate buffer, pH 6.9, and 5 mM MnCb were incubated at 65°C. A control sample without enzymes was treated in the same way. Periodically, samples were taken and the concentrations of glucose, galactose and tagatose were determined by high pressure liquid chromatography using an Aminex HPX-87C column (Bio-Rad) and a refractive index detector (Waters 410). The mobile phase was deionized, degassed water, the column temperature was 85°C, and the flow rate was 0.6 mL/min.

Som vist i figur 4, økte konsentrasjonen av glukose til ca. 800 mM i løpet av 24 timer, som indikerer at nesten all laktose ble hydrolysert til galaktose og glukose. Konsentrasjonen av tagatose økte lineært til ca. 300 mM i løpet av 24 timer, som indikerer en bioomdannelse på 300 mM/800 mM = 38%. As shown in Figure 4, the concentration of glucose increased to approx. 800 mM in 24 h, indicating that almost all lactose was hydrolyzed to galactose and glucose. The concentration of tagatose increased linearly to approx. 300 mM over 24 hours, indicating a bioconversion of 300 mM/800 mM = 38%.

Claims (18)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av tagatose, karakterisert ved at den innbefatter a) hydrolysering av laktose eller et laktoseinneholdende utgangsmateriale for å oppnå galaktose og glukose b) isomerisering av den oppnådde galaktosen med en L-arabinoseisomerase, og c) kromatografisk separering av produkter og ikke-omdannede forbindelser og resirkulering av ikke-omdannede forbindelser i prosessen.1. Process for the production of tagatose, characterized in that it includes a) hydrolyzing lactose or a lactose-containing starting material to obtain galactose and glucose b) isomerization of the obtained galactose with an L-arabinose isomerase, and c) chromatographic separation of products and unconverted compounds and recycling of unconverted compounds in the process. 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ikke-omdannet laktose separeres ved hjelp av kromatografi og resirkuleres i trinn a) for hydrolyse.2. Method according to claim 1, characterized in that unconverted lactose is separated by means of chromatography and recycled in step a) for hydrolysis. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert v e d at ikke-omdannet galaktose separeres ved hjelp av kromatografi og resirkuleres i trinn b) for isomerisering.3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that unconverted galactose is separated by means of chromatography and recycled in step b) for isomerisation. 4. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trinn a) og trinn b) utføres i en reaktor.4. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that step a) and step b) are carried out in a reactor. 5. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at galaktosen er et D-galaktose og tagatosen er D-tagatose.5. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the galactose is a D-galactose and the tagatose is D-tagatose. 6. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at L-arabinoseisomerasen som anvendes i trinn b) er termofil.6. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the L-arabinose isomerase used in step b) is thermophilic. 7. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at laktasen som anvendes i trinn a) er termofil.7. Method according to any one of the preceding claims, characterized in that the lactase used in step a) is thermophilic. 8. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert v e d at L-arabinoseisomerasen som anvendes i trinn b) er avledet fra gruppen som består av, men ikke er begrenset til Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter og Thermotoga.8. Method according to claim 1 or 2, characterized in that the L-arabinose isomerase used in step b) is derived from the group consisting of, but not limited to, Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter and Thermotoga. 9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert ved at L-arabinoseisomerasen er avledet fra Thermoanaerobacter mathranii.9. Method according to claim 8, characterized in that the L-arabinose isomerase is derived from Thermoanaerobacter mathranii. 10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at L-arabinoseisomerasen er avledet fra Thermoanaerobacter mathranii DSM 11426.10. Method according to claim 9, characterized in that the L-arabinose isomerase is derived from Thermoanaerobacter mathranii DSM 11426. 11. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at laktasen som anvendes i trinn a) er avledet fra gruppen som består av, men er ikke begrenset til, Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter, Thermus og Pyrococcus.11. Method according to any of the preceding claims, characterized in that the lactase used in step a) is derived from the group consisting of, but not limited to, Bacillus, Sulfolobus, Thermoanaerobacter, Thermus and Pyrococcus. 12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ett eller flere av de anvendte enzymer er immobilisert.12. Method according to claim 1, characterized in that one or more of the enzymes used are immobilized. 13. Fremgangsmåte ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den anvendte temperaturen i trinn(ene) a) og/eller b) er 40 - 90°C.13. Method according to any of the preceding claims, characterized in that the temperature used in step(s) a) and/or b) is 40 - 90°C. 14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, karakterisert ved at temperaturen er 60 - 90°C.14. Method according to claim 13, characterized in that the temperature is 60 - 90°C. 15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert ved at temperaturen er 60 - 80°C.15. Method according to claim 14, characterized in that the temperature is 60 - 80°C. 16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert ved at temperaturen er 65 - 70°C.16. Method according to claim 15, characterized in that the temperature is 65 - 70°C. 17. Fremgangsmåte ifølge krav 16, karakterisert ved at temperaturen er 65°C.17. Method according to claim 16, characterized in that the temperature is 65°C. 18. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at L-arabinoseisomerasen som anvendes er avledet fra Thermoanaerobacter mathranii og laktasen som anvendes er avledet fra Sulfolobus solfataricus.18. Method according to claim 4, characterized in that the L-arabinose isomerase used is derived from Thermoanaerobacter mathranii and the lactase used is derived from Sulfolobus solfataricus.
NO20040149A 2001-07-16 2004-01-13 Process for the preparation of tagatose NO320145B1 (en)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US30515501P 2001-07-16 2001-07-16
US90510801A 2001-07-16 2001-07-16
DKPA200101114 2001-07-16
PCT/DK2002/000497 WO2003008617A1 (en) 2001-07-16 2002-07-15 Process for manufacturing of tagatose

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20040149L NO20040149L (en) 2004-01-13
NO320145B1 true NO320145B1 (en) 2005-10-31

Family

ID=27222520

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20040149A NO320145B1 (en) 2001-07-16 2004-01-13 Process for the preparation of tagatose

Country Status (1)

Country Link
NO (1) NO320145B1 (en)

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6057135A (en) * 1992-01-16 2000-05-02 Kraft Foods, Inc. Process for manufacturing D-tagatose

Also Published As

Publication number Publication date
NO20040149L (en) 2004-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
AU2002354844B2 (en) Process for manufacturing of tagatose
AU2002354844A1 (en) Process for manufacturing of tagatose
Jørgensen et al. Enzymatic conversion of D-galactose to D-tagatose: heterologous expression and characterisation of a thermostable L-arabinose isomerase from Thermoanaerobacter mathranii
RU2451688C2 (en) Method of producing tagatose using soya oligosaccharide
Leang et al. Novel reactions of L-rhamnose isomerase from Pseudomonas stutzeri and its relation with D-xylose isomerase via substrate specificity
WO2022148008A1 (en) Bacillus subtilis genetically engineered bacterium for producing tagatose and method for preparing tagatose
US6991923B2 (en) Process for manufacturing of tagatose
KR20210093939A (en) Novel ketose 3-epimerase
TWI471418B (en) Cellobiose 2-epimeraze, its preparation and uses
WO2021212723A1 (en) Beta-galactosidase gala and use thereof
CN102443578B (en) Glucose isomerase mutant and application thereof
FI79557B (en) FOERFARANDE FOER ISOMERISERING AV GLUKOS TILL FRUKTOS.
Ravaud et al. Overexpression, purification, crystallization and preliminary diffraction studies of the Protaminobacter rubrum sucrose isomerase SmuA
US7501246B2 (en) Gene for coding thermostable L-arabinose isomerase and method for producing the same
KR100443865B1 (en) Thermostable L-Arabinose Isomerase and Process for Preparing D-tagatose thereby
US7052898B2 (en) Thermostable isomerase and use hereof, in particular for producing tagatose
NO320145B1 (en) Process for the preparation of tagatose
EP1407038B1 (en) A thermostable isomerase and use thereof, in particular for producing tagatose
ZA200400088B (en) Process for manufacturing of tagatose.
WO2019035482A1 (en) Protein exhibiting epimerization activity
KR20200047176A (en) Method for preparing turanose
AU2002328273B2 (en) A thermostable isomerase and use thereof in particular for producing tagatose
KR102141174B1 (en) Expression system for producing amylosucrase and method of producing turanose using the same
Deok-Kun et al. Expression, purification, and crystallization of D-psicose 3-epimerase from Agrobacterium tumefaciens
AU2002328273A1 (en) A thermostable isomerase and use thereof in particular for producing tagatose

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Lapsed by not paying the annual fees