Hydrolyse von Proteinen in Wasser und Wasser/Kohlendioxid-Systemen bei erhöhten Drücken und Temperaturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Es wurden im Rahmen dieser Arbeit umfangreiche Untersuchungen über den Proteinabbau und das Reaktionsverhalten freier Aminosäuren mit Hilfe von unterkritischem Wasser als Reaktionsmedium durchgeführt. Anhand verschiedener Ausgangsproteine und unterschiedlicher Betriebsweisen konnte gezeigt werden, dass sich Proteine durch eine Behandlung in nahekritischem Wasser in ihre monomeren Bestandteile, die Aminosäuren, zerlegen lassen, wobei die Temperatur und die Verweilzeit den stärksten Einfluss auf die Aminosäurenausbeute ausüben, während der Einfluss des Druckes und der Korngröße vernachlässigbar ist. Wesentliche reaktionstechnische Erkenntnisse des hydrothermalen Proteinabbaus und eine kinetische Beschreibung der ablaufenden Bildungs- und Zersetzungsreaktionen konnten in dieser Arbeit beschrieben werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Peptidbindungen, über die die einzelnen Aminosäuren im Protein miteinander verknüpft sind, eine hohe Stabilität aufweisen. Daher sind Proteine und Polypeptide nur schwierig zu hydrolysieren im Vergleich zu anderen Makromolekülen wie Polysacchariden, deren glykosidische Bindungen wesentlich leichter zu spalten sind. Die Peptidbindungen lassen sich durch Temperaturerhöhung vermehrt hydrolysieren, jedoch setzt auch die thermische Zersetzung der entstehenden Aminosäuren um so stärker ein, so dass sich relativ niedrige Gesamtausbeuten ergeben. Die Stabilität der Peptidbindung hängt weiterhin wesentlich von den umgebenden Aminosäuren ab. Da auch die einzelnen Aminosäuren eine unterschiedliche thermische Stabilität aufweisen, ergeben sich deutlich verschiedene Ausbeuten und Reaktionsgeschwindigkeiten für die jeweiligen Aminosäuren. Von den 18 detektierbaren waren meist Glycin und Alanin die Aminosäuren mit den höchsten Ausbeuten, da diese einerseits temperaturunempfindlich sind und andererseits als Zersetzungsprodukte komplexerer Aminosäuren entstehen. Neben den freien Aminosäuren konnten verschiedene leicht flüchtige Abbauprodukte in den Hydrolysaten charakterisiert werden. Die Zugabe von Kohlendioxid und Natriumchlorid zum nahekritischen Wasser konnte die Aminosäurenausbeuten aufgrund derer katalytischen Wirkung steigern, indem der pH-Wert bzw. das lonenprodukt des Wassers beeinflusst werden. Weiterhin zeigte sich, dass die Aminosäuren sich innerhalb einer Mischung teilweise anders verhalten, als wenn sie einzeln vorliegen. Außerdem konnte ein katalytischer Effekt des Reaktormaterials auf die Hydrolysereaktion beobachtet werden, Die Messdaten für die Aminosäurenproduktion aus Albumin konnten erfolgreich durch ein vereinfachtes Reaktionsmodell beschrieben werden. Um für die Proteinhydrolyse experimentelle Verweilzeiten von >1 h realisieren zu können, wurde eine zusätzliche Hydrolyseanlage im Labormaßstab geplant, aufgebaut und in Betrieb genommen. Neben den erfolgreich durchgeführten Hydrolyseversuchen konnte ebenfalls gezeigt werden, dass Aminosäuren und -gemische mittels lonenaustauschchromatographie in verschiedene Fraktionen aufgetrennt werden können. Diese Technik ist für die Aufbereitung der Proteinhydrolysate von großer Wichtigkeit. Die Ergebnisse bestätigen, dass eine Auftrennung in verschiedene Aminosäurenfraktionen prinzipiell mit Hilfe derselben Substanzen verwirklicht werden kann, welche bereits bei der Hydrolyse eingesetzt werden (Wasser, Natriumchlorid, Kohlendioxid). Die Zusammensetzung eines realen Hydrolysates erschwert jedoch die Auftrennung aufgrund der Anwesenheit diverser Nebenprodukte, die bei der Hydrolyse entstehen. Den experimentellen Ergebnissen zufolge sind entgegen der ursprünglichen Vermutung eine niedrige Temperatur und eine lange Verweilzeit (ca. 200°C für mehrere Stunden) besser für die Proteinhydrolyse geeignet als eine Hochtemperaturbehandlung im kurzen Verweilzeitbereich. Oberhalb von 300°C ließen sich bereits nach wenigen Sekunden keine nennenswerten Aminosäurenausbeuten mehr erzielen. Aufgrund des komplexen Reaktionsverhaltens waren die Ausbeuten der Aminosäuren jedoch selbst unter optimalen Bedingungen relativ gering.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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7th Italian Conference on Supercritical Fluids and Their Applications / 9th Meeting on Supercritical Fluids, Triest, Italien (2004) Titel: Production of Amino Acids from Albumin by Sub-Critical Water Hydrolysis
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7th World Congress of Chemical Engineering; Incorporating the 5th European Congress of Chemical Engineering, Glasgow, Schottland (2004) Titel: Production of Amino Acids from Bovine Serum Albumin and Duck Feather Keratin by Continuous Sub-Critical Water Hydrolysis 3rd International Meeting on High Pressure Chemical Engineering, Erlangen, Deutschland (2006) Titel: Production and Separation of Amino Acids by means of Sub-Critical Water, Carbon Dioxide, and Sodium Chloride
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T. Rogalinski, S. Herrmann, G. Brunner: Production of Amino Acids from Bovine Serum Albumin by Sub-Critical Water Hydrolysis. Journal of Supercritical Fluids 36 (2005), 49-58.
