MX2012013094A - Procedimiento para la recuperacion de betaina de melaza. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un procedimiento para la recuperación de betaína de una melaza, que comprende: un paso de conversión, en el que la melaza se somete a la acción de una enzima que tiene actividad endo-inulinasa y/o actividad fructosiltransferasa, para formar una melaza que contiene fructano (melaza de fructano); un paso de separación, en el que la melaza de fructano se somete a una separación cromatográfica, con lo cual se obtiene una fracción que contiene betaína.

Description

PROCEDIMIENTO PARA LA RECUPERACIÓN DE BETAÍNA DE MELAZA MEMORIA DESCRIPTIVA La invención se refiere a un procedimiento para la recuperación de betaína de una melaza.

Tal un procedimiento se conoce de US-A-5 127 957. En el procedimiento conocido, una solución de suministro de melazas de remolacha se suministra en un sistema de cromatografía de lecho móvil simulado. Se utiliza agua como diluyente. La separación cromatográfica conduce a la formación de varias fracciones, entre otras cosas, una fracción con contenido aumentado de betaína y una fracción con contenido disminuido de sacarosa. En el ejemplo 1 de US-A-5 127 957, la fracción con contenido disminuido de betaína tiene 70.9% en peso de betaína (en materia seca) y 11.1% en peso de sacarosa (en materia seca); la fracción con contenido disminuido de sacarosa tiene 86.6% en peso de sacarosa (en materia seca) y 3.3% en peso de betaína (en matena seca).

Una desventaja del procedimiento conocido es que la separación de betaína de las otras fracciones en la melaza no siempre es óptima.

Es un objetivo de la presente invención reducir dicha desventaja.

El objetivo se logra en que el procedimiento comprende: - un paso de conversión, en el cual la melaza se somete a la acción de una enzima formadora de fructano para formar una melaza que contiene fructano (melaza de fructano); y - un paso de separación, en el cual la melaza de fructano se somete a una separación cromatográfica, con lo cual obtiene una fracción que contiene betaína.

Es una ventaja del procedimiento de la presente invención que una fracción que contiene betaína de alta pureza pueda obtenerse más eficientemente.

Es una ventaja adicional del procedimiento de la presente invención que una fracción restante importante, es decir, la fracción que contiene fructano comparada con una fracción que contiene sacarosa en el procedimiento conocido, pueda tener un valor mayor que la fracción que contiene sacarosa correspondiente del procedimiento conocido.

Iraj Ghazi et al. describe en J. Agrie. Food Chem., 2006, 54 (8), pp 2964-2968 cómo el almíbar y la melaza del procesamiento de betabel se analizaron como sustratos de bajo costo y disponibles para la síntesis enzimática de fructo-oligosacáridos (FOS). Una pectinasa comercial (Pectinex Ultra SP-L, de Aspergillus aculeatus) caracterizada por la presencia de una actividad transfructosilante se utilizó como un biocatalizador.

El procedimiento de la invención se refiere a la recuperación de betaína. Como se menciona en la presente, se utiliza la betaína en su representación de glicina betaína o ?,?,?-trimetilglicina, un zwitterion encontrado, entre otras cosas, en las remolachas (Beta vulgaris) y que tiene la fórmula estructural (I): Como se conoce, la betaína tiene un número de funciones en mamíferos, siendo un contribuidor a la presión osmótica y para funcionar como un donador de metilo. Estas funciones han conducido a la circunstancia de que hay un mercado para betaína, y por lo tanto, es deseable obtener betaína como un producto en una manera eficiente. Un grupo conocido de fuentes de betaína es aquél de la melaza que contiene betaína, tal como por ejemplo la melaza de remolacha. El término melaza como se utiliza en la presente tiene su significado común de ser un subproducto formado en un procedimiento para la preparación de sacarosa, en particular en las etapas de cristalización; además, la melaza como se utiliza en el procedimiento de acuerdo con la invención debe contener betaína. Como aquí se utiliza, el término melaza se refiere a la melaza como se obtiene en el procedimiento para la preparación de sacarosa, o a una forma diluida de la misma, con lo cual la dilución preferiblemente se hace con una fase acuosa. Preferiblemente, la melaza es melaza de remolacha. Como se conoce, la melaza de remolacha comúnmente puede contener, con base en el peso total de la forma no diluida, entre 45 y 65% en peso de sacarosa, comúnmente entre 3 y 8% en peso de betaína, comúnmente entre 6 y 10% en peso de aminoácidos, cantidades menores de aproximadamente 1% en peso de fructosa y glucosa y una importante cantidad de otros compuestos tal como sales (in)orgánicas.

En el procedimiento de acuerdo con la invención, la melaza se somete a la acción de una enzima formadora de fructano. Esto puede lograrse por medios conocidos. La melaza puede estar presente como tal o en forma diluida; preferiblemente, la melaza está presente en forma diluida, la dilución preferiblemente se realiza con agua. Si una cierta dilución o un aumento de dilución conduce a una reducción de la eficiencia de la enzima utilizada, entonces, el experto en la técnica debe equilibrar el beneficio de dilución contra la eficiencia de reducción de manera rutinaria para establecer lo óptimo para las circunstancias específicas. En una modalidad, la enzima adecuada está en forma libre y se mezcla perfectamente con la melaza; la melaza que contiene la enzima se pone en condiciones de temperatura y pH de tal manera que la enzima muestra actividad apreciable. En otra modalidad, la enzima está disponible en forma inmovilizada y la melaza se hace para fluir a lo largo de la enzima inmovilizada mientras también se lleva a condiciones adecuadas de temperatura y pH.

La enzima utilizada en el procedimiento de acuerdo con la invención debe poder catalizar la formación de fructanos de la sacarosa. La glucosa libre puede formarse como subproducto.

El término fructano como se utiliza en la presente tiene su significado común de ser un término genérico que se refiere a un material de carbohidrato que consiste principalmente en enlaces fructosil-fructosa con opcionalmente una porción de inicio de glucosa. El significado de fructano abarca los compuestos más específicos de inulina - en donde los enlaces de fructosil-fructosa son principalmente del tipo ß(2?1 ) - y levano - en donde los enlaces de fructosil-fructosa son principalmente del tipo ß(2?6). Ambas inulinas y lévanos pueden ser lineales o ramificados y ambos pueden estar en la forma polidispersa, es decir, en la forma de una mezcla de varios grados de polimerización o en forma homodispersa.

La inulina generalmente está polidispersa, es decir, una mezcla de compuestos de varias longitudes de cadena con las cuales el grado de polimerización (DP) de los compuestos individuales puede variar de 2 a 100 o más. El término fructo-oligosacárido, abreviado como FOS - como se utiliza en la presente, indica una forma específica de un material de inulina, ya sea monodispersa o polidispersa, con lo cual la DP de los compuestos individuales varía de 2 a 10, en la práctica generalmente de 2 a 9 o de 2 a 8 o de 2 a 7. El FOS comercialmente disponible generalmente es un material polidisperso que tiene un grado de número promedio de polimerización (DP) de aproximadamente 2 a 5.

En la práctica, el FOS también se menciona como oligofructosa. Como se utiliza en la presente, los términos fructo-oligosacárido y oligofructosa se consideran como sinónimos.

La formación de fructano a partir de sacarosa puede lograrse al seleccionar una enzima que tiene actividad fructosiltransferasa. Tales enzimas son como se conocen, por ejemplo clasificadas por el número de categoría de enzima EC 2.4.1.99 o EC 2.4.1.9. Una primera descripción de tal una enzima está en "The Production of Fructooligosaccharides from Inulin or Sucrose Using Inulinase or Fructosyltransferase from Aspergillus ficuum", Barrie E. Norman & Birgitte Hojer-Pedersen, Denpun Kagaku vol 36, No. 2, pp 103-111 (1989).

Además, se sabe que algunas ß-fructofuranosidasas o invertasas, es decir, enzimas clasificadas conforme EC 3.2.1.26, también pueden tener actividad fructosiltransferasa y por lo tanto, podrían ser adecuadas en el procedimiento de acuerdo con la invención.

Asimismo, también las enzimas que tienen una actividad endo-inulinasa - tal como las enzimas clasificadas conforme EC 3.2.1.7 - pueden dar lugar a la formación de fructanos tal como FOS en la presencia de sacarosa si actúan en una mezcla que tiene un contenido alto de sacarosa de 40 ó 50% en peso de sacarosa o más.

Además, las enzimas que tienen actividad levansucrosa - tal como las enzimas clasificadas conforme EC 2.4.1.10 - pueden ser adecuadas para usarse en el método de acuerdo con la invención.

Un ejemplo de una enzima preferida para usarse en el paso de conversión de la invención es la endo-inulinasa Novozyme 960 (proveedor: Novozymes).

Otro ejemplo de una enzima preferida para usarse en el paso de conversión de la invención es Pectinex Ultra SP-L (proveedor: Novozymes). De acuerdo con la invención, también es posible que la enzima constituya una combinación de dos o más enzimas que tienen actividad fructosiltransferasa y/o endo-inulinasa.

En una modalidad principal de la invención, la melaza se pone en contacto con una enzima capaz de catalizar la formación de fructo-oligosacárido (FOS) de sacarosa. Por lo tanto, esta modalidad principal se refiere a: - un paso de conversión, en el que la melaza se somete a la acción de una enzima que tiene actividad endo-inulinasa y/o actividad fructosiltransferasa para formar una melaza que contiene fructo-oligosacárido (melaza de FOS); - un paso de separación, en el que la melaza de FOS se somete a una separación cromatográfica, con la cual se obtiene una fracción que contiene betaína.

La cantidad de enzima necesaria en el procedimiento de acuerdo con la invención depende de varios - tal como se conocen - factores tal como temperatura del procedimiento, cantidad de materia prima, pH, duración permitida del procedimiento e índices deseados de conversión. Éstos y otros factores pertinentes pueden determinarlos los expertos en la técnica para el procedimiento de la invención siguiendo los procesos generalmente aceptados en este campo técnico.

En el procedimiento de acuerdo con la invención, la enzima se deja actuar en la melaza durante un tiempo que es lo suficientemente largo para crear una melaza que contiene fructano, preferiblemente una melaza que contiene FOS. La duración de ejecución de este paso de acuerdo con la invención se elige principalmente in función de la cantidad de fructano, preferiblemente de FOS que se desea. Como lo saben los expertos en la técnica, esta duración generalmente está en la escala entre 0.5 ó 1 y 72 horas, preferiblemente entre 5 y 50 horas, más preferiblemente entre 12 y 36 horas, durante las cuales se forma una melaza que contiene fructano (melaza de fructano), preferiblemente una melaza que contiene FOS (melaza de FOS).

Se prefiere que en el paso de conversión se convierta entre 5% en peso y 100% en peso de sacarosa en la melaza. Más preferiblemente, se convierte por lo menos 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, ó 90% en peso de sacarosa. Se prefiere particularmente convertir esencialmente toda la sacarosa. Se encontró que si el porcentaje de sacarosa que se convierte aumenta, la recuperación subsecuente de betaína puede llevarse a cabo más eficientemente.

Al terminar la formación de las melazas de fructano, preferiblemente la melaza de FOS, y en el caso en que una enzima libre no inmovilizada se utilice y mezcle en la melaza, puede desearse asegurar que la enzima se desactive. Si este es el caso, entonces puede implementarse un paso de desactivación de la enzima. La desactivación de la enzima puede lograrse mediante métodos que son como se conocen y puede diferir para cada tipo específico de enzima. Un ejemplo de tal un método de desactivación es un aumento en la temperatura - a un nivel de por ejemplo aproximadamente 80, 85 ó 90°C - seguido de un tiempo de permanencia de entre 5 y 30 minutos a una temperatura aumentada. Un beneficio adicional de exposición a tal una temperatura es que las cantidades de cualquier bacteria que pueda estar presente se reducen.

En el procedimiento de la invención, se lleva a cabo un paso de separación en la melaza de fructano. El paso de separación se lleva a cabo ya sea durante el paso de conversión o después del paso de conversión. Preferiblemente, el paso de separación se lleva a cabo después del paso de conversión. En el paso de separación, la melaza de fructano se somete a una separación cromatográfica. Como se sabe, el sometimiento de un material a una separación cromatográfica puede conducir a la separación del material en varias fracciones. La separación de acuerdo con la invención debe hacerse de tal manera que se forme una fracción que contiene betaína. El experto en la técnica sabe que la elección particular de la fase estacionaria en la separación cromatográfica puede influir en el desempeño de la separación. La separación cromatográfica puede llevarse a cabo por medios que son conocidos, tal como pasar la melaza de fructano sobre una resina.

En una modalidad principal de la invención, el paso de separación se hace por medio de una cromatografía de intercambio iónico. Como se sabe, una variedad de tecnologías de cromatografía de intercambio iónico está disponible, tal como cromatografía de intercambio iónico de resinas, posiblemente en combinación con mecanismos de exclusión por tamaño, también aquí está disponible una variedad de resinas para este propósito. En una modalidad preferida del procedimiento de la invención, se elige una resina de intercambio catiónico de ácidos fuertes. También se encontró que si una resina de intercambio catiónico se elige, la elección del catión puede influir en la eficiencia de la separación. En una modalidad de la invención, se prefieren las resinas de intercambio catiónico esencialmente en la forma de sodio. En esta modalidad se prefiere asegurar que los iones de sodio no se reemplacen en ningún alto grado, preferiblemente por no más de 50, 40. 30, 25 o incluso por no más de 20 ó 15% por otros iones tales como potasio, ya que puede influir en la eficiencia de la separación. Así, en caso de que se haga el paso de separación con una resina de intercambio catiónico con la cual el tipo de catión (por ejemplo, sodio) sea significativamente pertinente para la eficiencia de la separación y la melaza de fructano contenga importantes cantidades de otros iones (por ejemplo, iones de potasio), se prefiere implementar un intercambio iónico y/o el paso de eliminación en la melaza o en la melaza de fructano antes del paso de separación. Tales pasos son tal como se conocen, tal como por ejemplo por medio de una cromatografía de exclusión por tamaño o electrodiálisis.

Por lo tanto, se prefiere que antes del paso de separación, la melaza o la melaza de fructano se someta a un paso de intercambio iónico, con lo cual la cantidad de aquellos cationes en la melaza o la melaza de fructano que son diferentes del catión en cuya forma está la resina de intercambio catiónico se reduzca; preferiblemente esta reducción es mediante por lo menos 50%, más preferiblemente por lo menos 75%, 80%, 85%, 90% o incluso por lo menos 95%.

Como se sabe en el caso de que se utilice una resina en el paso de separación, puede necesitarse una cierta rutina de optimización para elegir el tipo óptimo de resina, por ejemplo, al variar el grado de reticulación en la resina.

Preferiblemente, la separación cromatográfica se hace en un sistema de lecho móvil simulado (SMB) o desarrollos adicionales de sistemas SMB tal como un lecho móvil simulado secuencial (SSMB) o un lecho móvil simulado mejorado (ISMB). Esto tiene la ventaja de que el paso de separación y/o la recuperación de la fracción que contiene betaína puede llevarse a cabo en una base continua.

Se encontró, sorprendentemente, que una fracción que contiene betaína de alta pureza puede recuperarse de una melaza de fructano. Sin desear estar limitado a ninguna teoría, se contempla que el comportamiento de los fructanos, en particular FOS, y posiblemente también glucosa en una separación cromatográfica podría ser tal que existe en un pico más filoso, menos difuso que el de la sacarosa, posiblemente también influyendo con esto el comportamiento de elución de ciertos otros compuestos en favor de obtener una betaína de alta pureza.

En el procedimiento de la invención, se obtiene la fracción que contiene betaína. Como se representa en la presente, la fracción que contiene betaína significa una fracción en la que la relación de betaína con otros constituyentes de materia seca aumenta comparada con la melaza de fructano que entra en el paso de separación. Preferiblemente, la relación de betaína con otros constituyentes de material seca aumenta a por lo menos 25:75, más preferiblemente a 40:60, 50:50, 60:40, 70:30, 80:20 o incluso a por lo menos 90:10 ó 95:5.

La fracción o las fracciones que contienen betaína como se obtienen en el procedimiento de la invención, si se desea, pueden procesarse adicionalmente por medios que son conocidos, tal como por ejemplo, mediante un paso de concentración en el que la cantidad de eluyente se reduce o incluso se lleva esencialmente a cero a través de medios tales como evaporación o técnicas de membrana.

El procedimiento de la invención también puede llevar a obtener las fracciones que contienen fructano. Debido a la presencia de fructanos tal como preferiblemente FOS, tales fracciones, aunque su contenido de betaína puede ser bajo, pueden tener un valor considerable en varias aplicaciones tales como alimentación de animales. Por ende, la invención también se refiere a un producto de melaza de remolacha convertido que contiene por lo menos 10% en peso (como se mide en sustancia seca de carbohidratos total) de fructanos, preferiblemente fructo-oligosacáridos y al mismo tiempo a lo mucho 2.0, 1.0 ó 0.5% de betaína (como se mide en la sustancia seca total del producto de melaza de remolacha convertido). El producto de melaza de remolacha convertido de la invención se puede obtener, preferiblemente obtenido, de una melaza de remolacha que tiene un contenido de betaína de preferiblemente por lo menos 2, 2.5, 3, 3.5 o incluso 4% en peso (como se mide en la sustancia seca total de la melaza de remolacha). Preferiblemente, el producto de melaza de remolacha convertido contiene a lo mucho 25, 20, 15, 10, 5, 4, 3, 2, o incluso 1% en peso de sacarosa (como se mide en la sustancia seca de carbohidratos total). Se prefiere además que el producto de melaza de remolacha convertido contenga por lo menos 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, o incluso 50% en peso de FOS (como se mide en la sustancia seca de carbohidratos total). Preferiblemente, el producto de melaza de remolacha convertido contiene a lo mucho 0.4, 0.3, 0.2 o incluso 0.1% en peso de betaína (como se mide en la sustancia seca de carbohidratos total). Asimismo, el producto de melaza de remolacha convertido contiene a lo mucho 35, 30, 25, 20, 15, 10 o incluso 5% en peso de glucosa (como se mide en la sustancia seca de carbohidratos total).

Si se desea, el producto de melaza de remolacha convertido de la invención puede procesarse adicionalmente, por ejemplo con el propósito de obtener fructanos, en particular FOS, en esencialmente forma pura.

En las figuras, la figura 1 muestra una representación gráfica de los resultados del paso de separación del ejemplo 1.

El procedimiento de la invención se ilustrará por medio del siguiente ejemplo, con el cual el ejemplo no debe interpretarse como limitante del alcance de la invención.

EJEMPLO 1 1000 g de una melaza de remolacha con un contenido de sólidos de 84% se diluyó con agua de tal manera que la melaza tuviera un contenido de sólidos de 57.6%, el contenido de sacarosa entonces fue de 38.5% en peso. El pH de la melaza se ajustó de 8.1 a 6.2. Cualquiera de los ajustes de pH en este ejemplo realizado usando una solución acuosa de HCI (9%) o una solución acuosa de NaOH (4%). La temperatura de la melaza se llevó a 56°C. A la melaza, se agregó una cantidad de 591 µ? de la enzima Novozyme 960. La melaza se mantuvo en las condiciones de pH 6.2 y 56°C durante 24 horas, después de las cuales se formó una melaza de FOS de manera exitosa. La cantidad de FOS se determinó como 51% (% en peso de los carbohidratos totales).

La melaza de FOS se suministró en una columna por lotes para la separación cromatográfica. La columna fue de 100 cm de alto y 5 cm de diámetro, y se llenó para 98 cm con resina Dowex 99/320 en forma de sodio. Como se sabe, esta resina es una resina de intercambio catiónico de ácidos fuertes. El eluyente, agua, se suministró en la columna a una velocidad de 10 ml/min; una muestra de 70 mi de la melaza de FOS se suministró en la columna. Entre un marco de tiempo de 69 minutos y 209 después de la inyección de la muestra, las fracciones individuales se recolectaron por 10 minutos y se analizaron.

Los resultados se dan en el cuadro 1 y en forma gráfica CUADRO 1 Leyenda del cuadro 1 - Tiempo = Tiempo después de la inyección de la muestra en minutos - Los valores numéricos son concentraciones en g/kg - La fracción 'Restante' contiene todos los constituyentes de materia seca además de los concretamente identificados en el cuadro (éstos son fructosa, glucosa, sacarosa, FOS y betaína); los ejemplos de compuestos contenidos en la fracción 'Restante' son sales.

De los resultados claramente se observa que la betaína se obtiene en muy alta pureza; las fracciones obtenidas entre los minutos 169 y 199 no contienen esencialmente sacarosa u otros compuestos, mientras que las fracciones que contienen FOS no contienen esencialmente betaína.

Claims (12)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Procedimiento para la recuperación de betaína de una melaza, que comprende: - un paso de conversión, en el que la melaza se somete a la acción de una enzima formadora de fructano, para formar una melaza que contiene fructano (melaza de fructano); - un paso de separación, en el que la melaza de fructano se somete a una separación cromatográfica, con la cual se obtiene una fracción que contiene betaína.

2.- El procedimiento de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la enzima formadora de fructano se elige del grupo que consiste en: enzimas que tienen actividad endo-inulinasa, enzimas que tienen actividad fructosiltransferasa y mezclas de las mismas.

3.- El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado además porque el paso de separación se realiza por medio de cromatografía de intercambio iónico.

4. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque la resina de intercambio catiónico se utiliza en la separación cromatográfica de intercambio iónico.

5. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque la resina de intercambio catiónico está en la forma de sodio.

6. - El procedimiento de conformidad con la reivindicación 4 ó 5, caracterizado además porque antes del paso de separación, la melaza o la melaza de fructano se somete a un paso de intercambio iónico, con lo cual se reduce por lo menos 50% la cantidad de esos cationes en la melaza o la melaza de fructano que son diferentes al catión en cuya forma está la resina de intercambio catiónico.

7. - El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado además porque comprende: - un paso de conversión, en el que la melaza se somete a la acción de una enzima que tiene actividad endo-inulinasa y/o actividad fructosiltransferasa, para formar una melaza que contiene fructo-oligosacárido (melaza de FOS); - un paso de separación, en el que la melaza de FOS se somete a una separación cromatográfica, con la cual se obtiene una fracción que contiene betaína.

8. - El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado además porque el paso de conversión se lleva a cabo de tal manera que se convierte al menos 10% en peso de la sacarosa en la melaza.

9. - El procedimiento de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado además porque el paso de separación se realiza en un sistema de cromatografía de lecho móvil simulado (SMB).

10. - Producto de melaza de remolacha convertido, que contiene: - por lo menos 10% en peso de fructanos, como se midió en la materia seca total de carbohidratos; y - a lo mucho 1.0% en peso de betaína, como se midió en la materia seca total.

11. - El producto de melaza de remolacha convertido de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque se obtiene de una melaza de remolacha que tiene un contenido de betaína de por lo menos 3% en peso como se midió en la materia seca total.

12. Uso del producto de melaza de remolacha convertido de la reivindicación 10 u 11 en una alimentación de animal.