Selvitys marjojen fenolisten yhdisteiden eristämisen ... - Sitra

eristämisen teknologioistaKirjoittajatOlavi Myllymäki ja Mirja Mokkila, VTTTuomo Sainio, Lappeenrannan teknillinen yliopistoLuottamuksellisuusLuottamuksellinenTUTKIMUSRAPORTTI Nro VTT-R-07449-07 18.10.2007Selvitys marjojen fenolisten yhdisteideneristämisen teknologiastaVTT BIOTEKNIIKKAMarjojen fenoliyhdisteetHOHOFlavonoiditAntosyaanitPelargonidiiniSyanidiiniDelfinidiiniPeonidiiniPetunidiiniMalvidiini+OFlavonolitOHOHOHOHSyanidiiniKversetiiniMyrisetiiniKemferoliOHOOHFenolihapotKanelihapotKahvihappop-KumariinihappoFerulahappoOHHOOHOKahvihappoBentsoehapotProtokatekiinihappop-HydroksibentsoehappoGallihappoOHH 3COHOLignaanitOHOHOCH 3OHSekoisolarisiresinoliOHStilbeenitHOResveratroliOHFenoliset polymeerit(Tanniinit)HOHOHOHOEllagitanniinitHOHOOHHOHOOCOC OO OOOCOOCOHOHOHOCOKasuariktiiniOHOHProantosyanidiinitOHHOOHOHOQuercetinFlavanolit (Katekiinit)(+)-Katekiini(-)-EpikatekiiniGallokatekiiniEpigallokatekiiniOHOOHHOOGallihappoOHOHHOOHHOOOHHOOHOOHOOHOHOHOHOHOHOHOH(+)-KatekiiniOHOHTrimeerinen prosyanidiini(flavanoli)Olavi Myllymäki ja Mirja Mokkila, VTTTimo Sainio, Lappeenrannan teknillinen opistoSelvitys marjojen fenolisten yhdisteideneristämisen teknologioistaISBN 978-951-563-625-6URL:http://www.sitra.fiKirjoittajatOlavi Myllymäki ja Mirja Mokkila, VTTTuomo Sainio, Lappeenrannan teknillinen yliopistoLuottamuksellisuusLuottamuksellinen

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-071 (17)Raportin nimiSelvitys marjojen fenoliyhdisteiden eristämisen teknologioistaAsiakkaan nimi, yhteyshenkilö ja yhteystiedotSitraLiisa RosiAsiakkaan viiteProjektin nimiProjektin numero/lyhytnimiMarjojen fraktiointi 20144Raportin laatija(t)Sivujen/liitesivujen lukumääräOlavi Myllymäki ja Mirja Mokkila, VTT; Tuomo Sainio, LTY 17AvainsanatRaportin numeroMarjojen fenoliyhdisteet, marjojen fraktiointiVTT-R-07449-07TiivistelmäSelvitys liittyy Sitran ERA-ohjelman marjaklusterin toimintaan, jonka tavoitteena on löytäämalleja kotimaisen marjaraaka-aineen ja marja-alan osaamisen tuotteistamiseksikansainvälisille markkinoille korkean jalostusarvon tuotteina. Potentiaalisena uutenatuoteryhmänä esiin ovat nousseet erilaiset marjafraktiot. Tämän selvityksen tavoitteena olipatenttihaun sekä VTT:n ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston asiantuntijoiden näkemystenperusteella arvioida marjojen fenolisten yhdisteiden eristämiseen soveltuvia teollisenmittakaavan teknologioita. Tavoitteena on antaa SITRAn marjaklusterin toimijoilletaustatietoa arvioitaessa mahdollisuuksia synnyttää alan teollisuutta Suomeen.Selvitys antaa hyvän yleiskuva marjan fenolisten yhdisteiden erottamisen teolliseenmittakaavaan soveltuvista teknologioista. Selvityksessä tarkastellaan prosesseja, joillavalmistettuja rikasteita voidaan käyttää elintarvike-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa jajoissa rikastettavat (uutettavat) yhdisteet säilyvät mahdollisimman muuttumattomina.Prosessissa käytettävien kemikaalien tulee olla elintarvikkeiden valmistukseen soveltuvia jaregeneroitavia, eivätkä ne saa muodosta kohtuutonta kuormitusta ympäristölle. Myöskustannusten on pysyttävä kohtuullisina. Lähtökohtana on ollut myös koko marjanmahdollisimman hyvä hyödyntäminen.Pääosa aiheeseen liittyvistä patenteista käsitteli fenolisten yhdisteiden adsorptioerotusta, jokaonkin fraktiointiprosessin kriittisin yksikköoperaatio. Myös useat muut erotusprosessin vaiheetsekä myös prosessilaitteiden valinta vaativat kokeellista selvittämistä ja simulointiatehdassuunnittelun lähtökohtien määrittämiseksi.LuottamuksellisuusEspoo 18.10.2007AllekirjoituksetLuottamuksellinenAnu Kaukovirta-NorjaTeknologiapäällikkö, VTTMirja MokkilaAsiakaspääll., erikoistutkija, VTTTuomo SainioTutkija, LTYVTT:n yhteystiedotPL 1000, 02044 VTTJakelu (asiakkaat ja VTT)Liisa Rosi, SitraVeli-Markku Korteniemi, Lapinnova OyOlavi Myllymäki, VTTErkki Paatero, Lappeenrannan teknillinen yliopistoVTT:n nimen käyttäminen mainonnassa tai tämän raportin osittainen julkaiseminen on sallittu vain VTT:ltäsaadun kirjallisen luvan perusteella.

Sisältö1 Selvityksen tausta ja tavoitteet 42 Selvityksen toteutus 43 Marjat fenolisten yhdisteiden lähteenä 53.1 Marjojen fenoliset yhdisteet ja niiden pitoisuudet 53.2 Prosessoinnin vaikutukset marjojen fenolisiin yhdisteisiin 64. fenolisten yhdisteiden rikastaminen ja eristäminen 64.1 Patenttikirjallisuutta adsorptiokromatografiaan perustuvistaerotusprosesseista 74.1.1 Fenolisten yhdisteiden uutto biomassasta 74.1.2 Adsorptioerotus 84.1.3 Fenolirikasteen kuivatus 115 Tulosten tarkastelu 116 Johtopäätökset 157 Ehdotus jatkotoimenpiteiksi 16Lähdeviitteet 17

1 Selvityksen tausta ja tavoitteet3 (17)1 Selvityksen tausta ja tavoitteet1 Selvityksen tausta ja tavoitteetSelvitys liittyy Sitran ERA-ohjelman marjaklusterin toimintaan, jonka tavoitteenaon löytää malleja kotimaisen marjaraaka-aineen ja marja-alan osaamisentuotteistamiseksi kansainvälisille markkinoille korkean jalostusarvon tuotteina.Selvitys liittyy Sitran ERA-ohjelman marjaklusterin toimintaan, jonka tavoitteenaYhtenä mahdollisena tuoteryhmänä esiin ovat nousseet erilaiset marjafraktiot.on löytää malleja kotimaisen marjaraaka-aineen ja marja-alan osaamisentuotteistamiseksi kansainvälisille markkinoille korkean jalostusarvon tuotteina.Markkinoilla olevien marjajauheiden ja -uutteiden valikoima on laaja.Yhtenä mahdollisena tuoteryhmänä esiin ovat nousseet erilaiset marjafraktiot.Lukumääräisesti eniten löytyy eri marjoista tehtyjä jauheita, joissa fenolistenyhdisteiden kokonaismäärä, antosyaanien tai ellagitanniinien pitoisuudet onMarkkinoilla olevien marjajauheiden ja -uutteiden valikoima on laaja.vakioitu. Yksinkertaisimmillaan tällaiset tuotteet on valmistettu kuivaamalla jaLukumääräisesti eniten löytyy eri marjoista tehtyjä jauheita, joissa fenolistenjauhamalla marjat tai konsentroimalla ja kuivaamalla marjamehu, jolloinyhdisteiden kokonaismäärä, antosyaanien tai ellagitanniinien pitoisuudet onpitoisuuksissa päästään parhaimmillaan 5–10 %:iin kuiva-aineesta (McKenzie,vakioitu. Yksinkertaisimmillaan tällaiset tuotteet on valmistettu kuivaamalla ja2003, WO 03084559, Majoie, 1972, DE1767614). Standardoitujajauhamalla marjat tai konsentroimalla ja kuivaamalla marjamehu, jolloinantosyaaniuutteita, joissa antosyaanipitoisuus on tavallisesti 25 %, valmistetaanpitoisuuksissa päästään parhaimmillaan 5–10 %:iin kuiva-aineesta (McKenzie,mustikasta, pensasmustikasta, mustaherukasta ja puolukasta. Vadelmasta2003, WO 03084559, Majoie, 1972, DE1767614). Standardoitujavalmistetaan 25 % ellagitanniinipitoisuuteen vakioitua uutetta.antosyaaniuutteita, joissa antosyaanipitoisuus on tavallisesti 25 %, valmistetaanmustikasta, pensasmustikasta, mustaherukasta ja puolukasta. VadelmastaSelvityksen tavoitteena on tehdyn patenttihaun tulosten sekä VTT:n javalmistetaan 25 % ellagitanniinipitoisuuteen vakioitua uutetta.Lappeenrannan teknillisen yliopiston asiantuntijoiden osaamisen perusteellaarvioida marjojen fenolisten yhdisteiden rikastamiseen ja eristämiseen soveltuviaSelvityksen tavoitteena on tehdyn patenttihaun tulosten sekä VTT:n jateollisen mittakaavan teknologioita, joilla päästään korkeampiin fenolistenLappeenrannan teknillisen yliopiston asiantuntijoiden osaamisen perusteellayhdisteiden pitoisuuksiin kuin mihin päästään esimerkiksi pelkästään kuivaamalla.arvioida marjojen fenolisten yhdisteiden rikastamiseen ja eristämiseen soveltuviaTavoitteena on antaa SITRAn marjaklusterin toimijoille taustatietoa arvioitaessateollisen mittakaavan teknologioita, joilla päästään korkeampiin fenolistenmahdollisuuksia synnyttää alan teollisuutta Suomeen ja tehdä ehdotus seuraavanyhdisteiden pitoisuuksiin kuin mihin päästään esimerkiksi pelkästään kuivaamalla.vaiheen toimenpiteistä.Tavoitteena on antaa SITRAn marjaklusterin toimijoille taustatietoa arvioitaessamahdollisuuksia synnyttää alan teollisuutta Suomeen ja tehdä ehdotus seuraavanvaiheen toimenpiteistä.2 Selvityksen toteutus2 Selvityksen toteutus2 Selvityksen toteutusTUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-073 (17)Selvitys käsittää patenttihaun marjojen, erityisesti karpalon, mustaherukan,mustikan ja puolukan fenolisten yhdisteiden eristämisen teknologioista sekäVTT:n ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LTY) fraktioinninSelvitys käsittää patenttihaun marjojen, erityisesti karpalon, mustaherukan,asiantuntijoiden analyysin haun tuloksista. Analyysin tulosten sekä VTT:n jamustikan ja puolukan fenolisten yhdisteiden eristämisen teknologioista sekäLTY:n asiantuntijoiden arvioiden perusteella tehtiin arvio marjojen fenolistenVTT:n ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston (LTY) fraktioinninyhdisteiden eristämismahdollisuuksista ja lupaavimmista teollisen mittakaavanasiantuntijoiden analyysin haun tuloksista. Analyysin tulosten sekä VTT:n japrosesseista.LTY:n asiantuntijoiden arvioiden perusteella tehtiin arvio marjojen fenolistenyhdisteiden eristämismahdollisuuksista ja lupaavimmista teollisen mittakaavanTietoanalyytikko Anu Saloheimo VTT:ltä vastasi patenttihausta. Tarkempi kuvausprosesseista.patenttihaun toteutuksesta on esitetty liitteessä 1. Erikoistutkija Mirja Mokkila jatutkija Olavi Myllymäki VTT:ltä sekä tutkija Tuomo Sainio ja professori ErkkiTietoanalyytikko Anu Saloheimo VTT:ltä vastasi patenttihausta. Tarkempi kuvausPaatero LTY:stä arvioivat marjojen fenolisten yhdisteidenpatenttihaun toteutuksesta on esitetty liitteessä 1. Erikoistutkija Mirja Mokkila jaeristämismahdollisuuksia ja lupaavimpia teollisen mittakaavan prosesseja sekätutkija Olavi Myllymäki VTT:ltä sekä tutkija Tuomo Sainio ja professori Erkkitekivät ehdotuksen seuraavan vaiheen toimenpiteiksi. Tulokset esitelläänPaatero LTY:stä arvioivat marjojen fenolisten yhdisteidenmyöhemmin sovittavana ajankohtana marjaklusterille ja mahdollisille julkisilleeristämismahdollisuuksia ja lupaavimpia teollisen mittakaavan prosesseja sekärahoittajille.tekivät ehdotuksen seuraavan vaiheen toimenpiteiksi. Tulokset esitelläänmyöhemmin sovittavana ajankohtana marjaklusterille ja mahdollisille julkisillerahoittajille.

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-073 Marjat fenolisten yhdisteidenlähteenä3 Marjat fenolisten yhdisteiden lähteenä4 (17)3.1 Marjojen fenoliset yhdisteet ja niiden pitoisuudet3.1 Marjojen fenoliset yhdisteet ja niiden pitoisuudetMarjojen fenolisten yhdisteiden kirjo on suuri. Kasvikunnasta on tunnistettu tähänmennessä yli 8000 fenoliyhdistettä, joista yli 6000 on flavonoideja. Marjojentärkeimmät fenolisten yhdisteiden ryhmät on esitetty kuvassa 1.VTT BIOTEKNIIKKAMarjojen fenoliyhdisteetHOHOFlavonoiditAntosyaanitPelargonidiiniSyanidiiniDelfinidiiniPeonidiiniPetunidiiniMalvidiini+OFlavonolitOHOHOHOHSyanidiiniKversetiiniMyrisetiiniKemferoliOHOOHFenolihapotKanelihapotKahvihappop-KumariinihappoFerulahappoOHHOOHOKahvihappoBentsoehapotProtokatekiinihappop-HydroksibentsoehappoGallihappoOHH 3COHOLignaanitOHOHOCH 3OHSekoisolarisiresinoliOHStilbeenitHOResveratroliOHFenoliset polymeerit(Tanniinit)HOHOHOHOEllagitanniinitHOHOOHHOHOOCOCOOCOOCOHOHOOOOHOCOKasuariktiiniOHOHProantosyanidiinitOHHOOHOHOQuercetinFlavanolit (Katekiinit)(+)-Katekiini(-)-EpikatekiiniGallokatekiiniEpigallokatekiiniOHOOHHOOGallihappoOHOHHOOHHOOOHHOOHOOHOOHOHOHOHOHOHOHOH(+)-KatekiiniOHOHTrimeerinen prosyanidiini(flavanoli)Kuva 1. Marjoissa esiintyvien fenolisten yhdisteiden luokittelu (Puupponen-Pimiäet al., 2005)MTT:n ja Kuopion yliopiston yhteistyönä on tutkittu tärkeimpien fenolistenyhdisteiden pitoisuudet Suomessa käytettävistä kasviperäisistä elintarvikkeistamarjat mukaan lukien (Törrönen, 2006). Kuvaan 2 on koottu tärkeimpienmarjojemme fenolisten yhdisteiden pitoisuudet.Tarkastelun kohteina olleista marjoista, karpalosta, musteherukasta, mustikasta japuolukasta, mustikka sisältää eniten antosyaaneja ja sen fenolisten yhdisteidenkokonaismäärä on myös suurin. Mustaherukka ja karpalo sisältävät runsaastiproantosyanidiineja.Marjojen fenolisten yhdisteiden pitoisuuksiin vaikuttavat monet tekijät, kutenlajike, kasvupaikan maantieteellinen sijainti, sääolosuhteet ja kypsyysaste.

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-075 (17)5 (17)Määrä Määrä Määrä mg/100gmg/100g250025002500200020002000150015001500100010001000500500500000Proantosyanidiinit Antosyaanit Fenolihapot Ellagitanniinit Flavonolit, flavonit ja flavanonitProantosyanidiinit Antosyaanit Fenolihapot Ellagitanniinit Flavonolit, flavonit ja flavanonitProantosyanidiinit Antosyaanit Fenolihapot Ellagitanniinit Flavonolit, flavonit ja flavanonitMarja-aroniaMarja-aroniaMarja-aroniaRuusunmarjaRuusunmarjaRuusunmarjaMustikkaMustikkaMustikkaPensasmustikkaPensasmustikkaPensasmustikkaMustaherukkaMustaherukkaMustaherukkaVariksenmarjaVariksenmarjaVariksenmarjaPihalajanmarjaPihalajanmarjaPihalajanmarjaKarpaloKarpaloKarpaloVadelmaVadelmaVadelmaJuolukkaJuolukkaJuolukkaLakkaLakkaLakkaPuolukkaPuolukkaPuolukkaMansikkaMansikkaMansikkaKuva 2. Suomalaisten marjojen fenolisten yhdisteiden pitoisuudet (Törrönen,Kuva2006).2. Suomalaisten marjojen fenolisten yhdisteiden pitoisuudet (Törrönen,2006). Kuva 2. Suomalaisten marjojen fenolisten yhdisteiden pitoisuudet (Törrönen,2006).3.2 Prosessoinnin vaikutukset marjojen fenolisiin yhdisteisiin3.2 Prosessoinnin vaikutukset marjojen fenolisiin yhdisteisiin3.2 Prosessointi- Prosessoinnin ja säilöntämenetelmien vaikutukset marjojen vaikutuksia fenolisiin marjojen yhdisteisiinfenolisiin yhdisteisiinProsessointionTörrösenjatekemänsäilöntämenetelmienselvityksenvaikutuksia(2006) mukaanmarjojentutkittufenolisiinkunnollayhdisteisiinvainon Prosessointi- Törrösen ja tekemän säilöntämenetelmien selvityksen vaikutuksia (2006) mukaan marjojen tutkittu fenolisiin kunnolla yhdisteisiinmuutamien marjojen flavonolien (kversetiini, kamferoli ja myrisetiini)vainjamuutamien on Törrösen marjojen tekemän flavonolien selvityksen (kversetiini, (2006) mukaan kamferoli tutkittu ja myrisetiini) kunnolla vainellagitanniinien osalta. Vaikutukset ovat erilaisia eri marjoilla ja eri yhdisteillä.jaellagitanniinien muutamien marjojen osalta. Vaikutukset flavonolien ovat (kversetiini, erilaisia eri kamferoli marjoilla ja ja myrisetiini) eri yhdisteillä. jaTietoa puuttuu erityisesti antosyaanien osalta, vaikkakin tiedetään, ettäTietoa ellagitanniinienhillonvalmistuksessapuuttuu osalta. erityisesti Vaikutuksetantosyaanitantosyaanien ovat erilaisiatuhoutuvatosalta, eriherkemminvaikkakin marjoilla jakuintiedetään, eri yhdisteillä.flavonolitettäjahillonvalmistuksessa Tietoa puuttuu erityisestiellagitanniinit. Antosyaanienantosyaanit antosyaanienrikastusprosessiintuhoutuvat osalta, herkemmin vaikkakinGabetta jakuin tiedetään,Ziniflavonolit että(1991, EPjaellagitanniinit. hillonvalmistuksessa0412300) suosittelevatAntosyaanien antosyaanitpH-arvoarikastusprosessiin tuhoutuvat herkemminalle 3 ja alle 40 °C:nGabettalämpötilaa.ja kuin Zini flavonolit (1991, EPja0412300) ellagitanniinit. suosittelevat Antosyaanien pH-arvoa rikastusprosessiin alle ja alle 40 °C:n Gabetta lämpötilaa. ja Zini (1991, EP0412300) suosittelevat pH-arvoa alle 3 ja alle 40 °C:n lämpötilaa.3.2 Prosessoinnin vaikutukset marjojen fenolisiin yhdisteisiin4FenolistenFenolistenyhdisteidenyhdisteidenrikastaminenrikastaminenjaja4eristämineneristäminen 4. Fenolisten fenolisten yhdisteiden yhdisteidenrikastaminen jaeristäminenrikastaminen ja eristäminenSeuraavassa esitellään prosesseja, joilla valmistettuja rikasteita voidaan käyttääSeuraavassaelintarvikeesitelläänja lääkeprosesseja,ja kosmetiikkateollisuudessajoilla valmistettuja rikasteitaja joissavoidaanrikastettavatkäyttääelintarvike- Seuraavassa ja esitellään lääke- prosesseja, kosmetiikkateollisuudessa joilla valmistettuja rikasteita ja joissa voidaan rikastettavat käyttää(uutettavat) yhdisteet säilyvät mahdollisimman muuttumattomina. Prosessissa(uutettavat) elintarvike- yhdisteet ja lääke- säilyvät ja kosmetiikkateollisuudessa mahdollisimman muuttumattomina. ja joissa rikastettavatkäytettävien kemikaalien tulee olla elintarvikkeiden valmistukseen soveltuviaProsessissajakäytettävien (uutettavat) kemikaalien yhdisteet säilyvät tulee olla mahdollisimman elintarvikkeiden muuttumattomina. valmistukseen soveltuvia Prosessissaregeneroitavia eivätkä ne saa muodosta kohtuutonta kuormitusta ympäristölle taijaregeneroitavia käytettävien kemikaalien eivätkä ne saa tulee muodosta olla elintarvikkeiden kohtuutonta kuormitusta valmistukseen ympäristölle soveltuvia tai jaaiheuta kohtuuttomia kustannuksia prosessissa.aiheuta regeneroitavia kohtuuttomia eivätkä kustannuksia ne saa muodosta prosessissa. kohtuutonta kuormitusta ympäristölle taiaiheuta kohtuuttomia kustannuksia prosessissa.Tarkastelun ulkopuolelle on rajattu prosessit, joissa käytetään esimerkiksiTarkastelunantosyaanejaulkopuolellehajottavaa emästäon rajattuja vetyperoksidiaprosessit, joissataikäytetäänseoksestaesimerkiksivaikeastiantosyaaneja Tarkastelun ulkopuolellepoistettavaahajottavaarikkidioksidia.emästä on rajattuPatentteja, vetyperoksidia prosessit, joissajoissatai käytetäänfenolistenseoksesta esimerkiksiyhdisteidenvaikeastipoistettavaa antosyaanejarikastamisprosessissarikkidioksidia. hajottavaa emästäon käytettyPatentteja, vetyperoksidia TUTKIMUSRAPORTTIbutanolia, amyylialkoholiajoissa fenolisten tai seoksesta VTT-R-07449-07tai etyyliasetaattiayhdisteiden vaikeastieirikastamisprosessissa poistettavaa rikkidioksidia.myöskään ole tarkasteltu.on käytettyEdelläbutanolia, Patentteja,olevistaamyylialkoholia joissa fenolistenesimerkkinä ontaiLiettinetyyliasetaattia yhdisteidenja Bonatin 6 (17)myöskään rikastamisprosessissa ole tarkasteltu. on käytetty Edellä butanolia, olevista amyylialkoholia esimerkkinä on tai Liettin etyyliasetaattia ja Bonatin eimyöskään ole tarkasteltu. Edellä olevista esimerkkinä on Liettin ja Bonatinpatentti (1983, US 4413004), jossa mustikan antosyaanit uutetaansuolahappopitoiseen metanoliin, josta antosyaanit saostetaan lyijyasetaatilla.4.1 Patenttikirjallisuutta adsorptiokromatografiaan perustuvistaerotusprosesseista

patentti (1983, US 4413004), jossa mustikan antosyaanit uutetaansuolahappopitoiseen metanoliin, josta antosyaanit saostetaan lyijyasetaatilla.4.1 Patenttikirjallisuutta adsorptiokromatografiaan perustuvistaerotusprosesseista4.1 Patenttikirjallisuutta adsorptiokromatografiaanperustuvista erotusprosesseistaFenolisten yhdisteiden erotusprosessin uutossa käytetään joko pelkkää vettä,jonka pH on säädetty happamalle alueelle, veden ja orgaanisen liuottimen seosta,tai orgaanista liuotinta. Elintarvikeprosesseissa orgaanisena liuottimina kyseeseentulee lähinnä etanoli. Patenttikirjallisuudessa kuvatut prosessit jakautuvat kahteenpääryhmään uuttoa seuraavan prosessivaiheen perusteella. Ensimmäisessäryhmässä fenolisia yhdisteitä sisältävä uute puhdistetaan neste-neste-uutolla.Toisen ryhmän patenteissa fenoliset yhdisteet eristetään uutteestaadsorptioerotuksella. Adsorptioerotus on lähinnä selektiivisyytensä vuoksi selvästiyleisempi menetelmä kuin neste-neste-uutto. Fenolisten yhdisteiden rikastaminen20 %:iin tai sitä suurempiin pitoisuuksiin tehdään yleisimminadsorptiokromatografialla.Daugherty et al. (2005, CA 2554182), Gourdin et al.(2005, WO 2005072762)ja Tempesta et al. (2002, WO 0217732) kuvaavat marjojen fenolistenyhdisteiden rikastusprosessin, jossa rikastetun jakeen fenolisten yhdisteidenpitoisuus kohoaa yli 20 %:iin seuraavasti:1. Fenolisten yhdisteiden uutto raaka-aineesta vesipohjaiseen happamaanliuokseen.2. Liukenemattoman aineosan suodatus uutteesta.3. Kuormituksessa kiintoaineeton uute tuodaan kontaktiin adsorbentin(polymeerihartsi) kanssa, johon fenoliset yhdisteet kiinnittyvät.Kuormitus lopetetaan, kun hartsi ei enää kykene sitomaan fenolisiayhdisteitä (”break-through”).4. Hartsin pesu uutteessa olevista, fenoleihin lukeutumattomista, hartsiinkiinnittymättömistä yhdisteistä kuten sokerit.5. Fenolisten yhdisteiden eluointi hartsista etanoli-vesiseoksella.6. Fenolipitoisen eluaatin konsentrointi ja kuivaus.Kappaleissa 4.1.1–4.1.3 esitellään lyhyesti edellä kuvatun prosessin eri vaiheisiinliittyvää patenttikirjallisuutta.4.1.1 Fenolisten 4.1.1 Fenolisten yhdisteiden yhdisteiden uutto biomassasta uutto biomassastaTempesta et al. (2002) WO 0217732, Bailey et al. (2002) US 20020055471Fenoliset yhdisteet rikastetaan marjoista puristetuista happamista mehuista taipuristekakun tai kuivatun marjan vesi-etanoliuutteesta. Uutteen etanolipitoisuuson 0–95 % ja happopitoisuus 0,5–3 %. Happona voidaan käyttää esimerkiksisuolahappoa, rikkihappoa tai etikkahappoa.Majoie (1972) DE 1767614Mehusaantoa puristus- tai sentrifugointiprosessissa tehostetaan soluseinämiähajottavilla entsyymeillä, jolloin mehusaanto- ja puristekakun kuiva-ainepitoisuuskasvavat. Menetelmä on tunnettua tekniikkaa.

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-078 (17)Kuormitusvaiheessa fenolipitoinen neste kulkeutuu (tyypillisesti pumpattuna,joissakin tapauksissa gravitaatiolla) kolonnin läpi tulppavirtauksena, jostafenoliset yhdisteet kiinnittyvät hartsin pinnalle. Fenolisten yhdisteidenadsorboituessa hartsiin, polaariset, ei-fenoliset yhdisteet, kuten sokeri, suolat,orgaaniset hapot jne. eivät kiinnity hartsiin, vaan ne ovat helposti pestävissähartsipedistä happamalla vesiliuoksella.Sokerien poiston jälkeen fenoliset yhdisteet eluoidaan hartsista vesi-etanoliliuokseen.jossa on tyypillisesti 50–95 % etanolia ja 5–50 % vettä. Eluointiliuostakuluu 1–12 kertaa hartsipedin tilavuus. Lisättäessä eluentin etanolipitoisuutta90 %:iin kolonnista uuttuu antosyaanien lisäksi hartsiin kiinnittyneitäproantosyanidiineja.Yleensä hartsin toimittaja antaa suosituksia kuormitusnopeudesta, pesunopeudestaja pesuveden tilavuudesta sekä eluointinopeudesta ja eluointiin käytettävästäliuostilavuudesta. Kuormitus-, pesu- ja eluointinopeudet sekä eri vaiheisiinkäytettävät liuostilavuudet ilmoitetaan tyypillisesti kertalukuna hartsipedintilavuutta kohden. Kaikki prosessivaiheet tehdään yleensä ympäristönlämpötilassa, vaikkakin kolonnin termostoiminen esimerkiksi aineensiirronnopeuttamiseksi on myös mahdollista. Hartsista eluoidun ekstraktin fenolistenyhdisteiden pitoisuus voi olla 70–75 % kuiva-aineesta.Hartseina käytetään kaupallisia, elintarvikekelpoisia polymeereja, jotka kestävätsatoja kuormituskertoja. Näistä patenteissa mainitaan kaupalliset hartsit AmberliteXAD 16 ja XAD 4 (styreeni-divinyylibenzeeni, Rohm & Haas) sekä XAD 7HP –hartsi (polyacryliesteri, Rohm & Haas). Myös SP-207-hartsia (Supelco;Bellafonte, PA), joka on huokoinen brominoitu styreenipolymeeri, on käytetty.Adsorbentin runkona voi olla myös muu polymeeri, kuten polyamidi taidekstraanipolymeeri (Sephadex LH 20, Amersham Biosciences).Soulier ja Dufour (2002) US 2002018821Kolonniin, jossa oli 25 l Amberlite XAD 16 –hartsia, kaadettiin 70 lmustikkauutetta. Hartsi pestiin 105 litralla demineralisoitua vettä, jonka jälkeenhartsiin kiinnittynyt antosyaani eluoitiin 200 litralla 40 % etanolia. Eluaattikonsentroitiin alipaineessa 26–31 °C:ssa, jossa prosessissa etanoli otettiin talteenja vesiliuos sumutuskuivattiin jauheeksi, jossa oli 53 % antosyaaneja.Lang (2002) WO 022011220 litran Amberlite XAD 16 –hartsikolonnia kuormitettiin 152,4 kg:llaappelsiininkuoriekstraktia kuormitusnopeudella 20 l/h. Myös pesunopeus oli 20l/h, ensin 40 litralla vettä, jota seurasi pesu 40 litralla 10 % etanolia. Hartsiinkiinnittyneet flavonoidit eluoitiin etanoliliuoksella, jossa etanoliliuoksenkonsentraatio nostettiin vähitellen 95%:iin, eluointinopeudella 20 l/h. Menetelmäon analoginen marjojen fenolisten yhdisteiden adsorptiolle.Shrikhande et al. (2003) US 654458125 litraan XAD 7HP-hartsia adsorpoitiin greipinsiemenuutettakuormitusnopeudella 62,5 l/h. Litra hartsia adsorboi 80–100 g fenolisia yhdisteitä.Pesuvaihe tehtiin 25 litralla vettä (1 petitilavuus), jonka jälkeen fenoliset yhdisteeteluoitiin 25 litralla 95 % etanolia nopeudella 25 l/h. Fenolipitoista eluenttia saatiin31 litraa. Eluentista haihdutettiin alkoholi ja jäännös sumutuskuivattiin.Kahdeksasta panosoperaatiosta saatujen jauheiden fenolisten yhdisteiden

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-079 (17)kokonaispitoisuus vaihteli 89–93 % saantojen vaihdellessa 1,7–2,4 %lähtöaineesta eli greipinsiemenistä. Polymeeristen fenolisten yhdisteiden osuusfenolisten yhdisteiden kokonaismäärästä laski käsittelyssä noin kolmanneksellauutteeseen verrattuna.Gourdin et al. (2005) US 2005266104Suodatetun kiintoaineettoman uutteen määrä, jolla voidaan kuormittaahartsikolonnia, riippuu raaka-aineesta, josta se on uutettu. Mustikasta uutetustaekstraktista kiinnittyi litraan SP-207-hartsia 16–30 g fenolisia yhdisteitä.Pensasmustikasta valmistetusta uutteesta litraan SP-207-hartsia kiinnittyi noin 15–45 g fenolisia yhdisteitä. Seljauutteesta puolestaan litraan hartsia kiinnittyi 15–40 g fenolisia yhdisteitä. Uutteen kiintoainepitoisuuden ennen adsorptiota tulisiolla alle 200 g/litra.Daughertyn et al. (2005) CA 2554182 litraan SP-207 hartsia kiinnittyi 17 gmustikasta uutettuja antosyaaneja. Pesuliuoksia käytettiin 3,5 kertaa hartsintilavuus ja eluointiin 10 kertaa hartsin tilavuus 70 % etanoliliuosta.Daugherty ja Tempesta (2006) WO 2006014499Mehusaantoa parannettiin pektinaasikäsittelyllä. Adsorptiokolonni oli pakattu 170ml:lla SP-207-hartsia. Kolonnia kuormitettiin 2,4 litralla mustikkauutetta.Kolonnin hartsi pestiin 0,1 % etikkahappoliuoksella. Pesun jälkeisessäeluointioperaatiossa 70 % etanolilla saadun eluaatin antosyaanipitoisuus oli 40 %kuiva-aineesta 79 %:n saannolla.Daugherty ja Tempesta (2006) WO 2006014499Kuivattua mustikkaa uutettiin rikkihappoliuokseen. 170 ml:n hartsikolonniakuormitettiin 2,24 litralla fenolipitoista suodosta, jossa kiintoainetta oli 2,98 %Kuormitusnopeus oli 2,2 ml/min. Fenolisten yhdisteiden hävikki oli 0,9 %kuormituksessa ja pesujen jälkeen 4,1 %. Eluoinnin jälkeen kuivatussaeluointijakeessa antosyaanipitoisuus oli 43 % 88,4 %:n saannolla.Hu (2007) CN 1923891Fenoliset yhdisteet uutettiin rypäleiden siemenistä kuumalla vedellä (95 ° C),sentrifugoitiin ja suodatettiin, minkä jälkeen uute käsiteltiin makrohuokoisellapolymeerihartsilla. Hartsi pestiin vedellä ja fenoliset yhdisteet uutettiin 40–60 %etanolilla. Etanolin talteenotto tehtiin 70 °C:ssa 0,4–0,6 barin paineessa. Uutesumutuskuivattiin. Tuotteen polyfenolipitoisuus oli > 95 % ja saanto 6 %.Hong et al. (2005) KR 2005079431Oligomeeriset proantosyanidiinit eristettiin rypäleiden siemenistä. Fenolisetyhdisteet adsorboitiin makrohuokoiseen polystyreenihartsiin vesi-etanoliliuoksesta.Haluttu oligomeerijae voidaan eristää monomeerisistä japolymeerisistä yhdisteistä monivaiheisella eluoinnilla (10 %, 70 % ja 90 %etanolia eluentissa).Edellä mainittujen lisäksi patettikirjallisuudessa on esitetty monia prosesseja, joitaei voida sellaisenaan ajatella elintarvikesovelluksiin. Niistä on kuitenkinlöydettävissä huomionarvoisia yksityiskohtia. Hilton et al. (1977, US 4320009) käyttivät anioninvaihtohartsia (IRA-400) jakationinvaihtohartsia (IR-124) antosyaaniekstraktin sisältämien ravinteiden10

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-07TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0710 (17)poistoon hiivojen kasvun ehkäisemiseksi ja tuotteen säilyvyydenparantamiseksi.poistoon hiivojen kasvun ehkäisemiseksi ja tuotteen säilyvyydenFredjparantamiseksi.ja Dietlin (1989, FR 2641283) käyttivät polyamidiadsorbenttiayleisemmin käytettyjen polystyreenin ja polyakryyliesterin sijaanFredj ja Dietlin (1989, FR 2641283) käyttivät polyamidiadsorbenttiaantosyaaniuutteenyleisemmin käytettyjen puhdistuksessapolystyreenin (eluenttina metanoli).ja polyakryyliesterin sijaanTempestaantosyaaniuutteen et al. (2002,puhdistuksessa WO 2002017732)(eluenttina käyttivätmetanoli).bromattua hartsia, jokaaromaattisen renkaan suuremmasta hydrofobisuudesta huolimatta adsorboiTempesta et al. (2002, WO 2002017732) käyttivät bromattua hartsia, jokaantosyaanejaaromaattisen heikomminrenkaan suuremmasta kuin tavanomainenhydrofobisuudesta polystyreenihartsi.huolimatta Näinadsorboisaatiinaikaan parempi eluoitavuus.antosyaaneja heikommin kuin tavanomainen polystyreenihartsi. Näin saatiinaikaan parempi eluoitavuus.4.1.3 Fenolirikasteen 4.1.3 Fenolirikasteen kuivaus kuivatus4.1.3 EluointivaiheenFenolirikasteen jälkeenkuivausetanolin haihdutuksesta jäänyt vesiliuos voidaan kuivata,usein kantaja-aineen kanssa, jolloin saadaan jauhemainen jae (Nair, 2005,Eluointivaiheen jälkeen etanolin haihdutuksesta jäänyt vesiliuos voidaan kuivata,usein US2005037130).kantaja-aineen Edellytyksenäkanssa, jolloin kuivauksellesaadaan on,jauhemainen että seosjae ei sisällä(Nair, vapaita2005,sokereita eikä lipidejä tai muita makromolekyylejä kuten pektiinejä.US2005037130). Edellytyksenä kuivaukselle on, että seos ei sisällä vapaitasokereita eikä lipidejä tai muita makromolekyylejä kuten pektiinejä.Slimestad, (2003), US2003091660Vesiliuos sumutuskuivataan, mieluiten typpi-ilmakehässä, 130–160 °C:ssa.Slimestad, (2003), US2003091660Sumutuskuivaimeen menevän liuoksen kuiva-ainepitoisuus on n. 8–15 %.Vesiliuos sumutuskuivataan, mieluiten typpi-ilmakehässä, 130–160 °C:ssa.KuivauksessaSumutuskuivaimeen voidaanmenevän apuaineenaliuoksen käyttääkuiva-ainepitoisuus maltodekstriiniä,on jotan. 8–15 voi olla%.kolmannes fenolisten yhdisteiden määrästä. Maltodekstriinillä nostetaan kuivanKuivauksessa voidaan apuaineena käyttää maltodekstriiniä, jota voi ollajauheenkolmannes lasisiirtymälämpötilaafenolisten yhdisteiden ja parannetaanmäärästä. Maltodekstriinillä siten sen juoksevuutta.nostetaan kuivanjauheen lasisiirtymälämpötilaa ja parannetaan siten sen juoksevuutta.Niro AS:n konstruoimissa järjestelmissä typpi-ilmakehä muodostaa suljetunkierron sumutuskuivaimessa. Myös pakkaskuivaus on sopiva kuivausmenetelmä,Niro AS:n konstruoimissa järjestelmissä typpi-ilmakehä muodostaa suljetunmuttakierron sumutuskuivaimessa. kalleutensa johdostaMyös senpakkaskuivaus käytön kannattavuuson sopiva kuivausmenetelmä,on arvioitavatapauskohtaisesti.mutta kalleutensa johdosta sen käytön kannattavuus on arvioitavatapauskohtaisesti.5 Tulosten tarkastelu5 Tulosten tarkastelu5 Tulosten tarkastelu10 (17)Pääosa hyödyllisistä patenteista käsitteli fenolisten yhdisteiden adsorptioerotusta,joka onkin fraktiointiprosessin kriittisin yksikköoperaatio. AdsorptioonPääosa hyödyllisistä patenteista käsitteli fenolisten yhdisteiden adsorptioerotusta,perustuvallajoka onkin uutteenfraktiointiprosessin puhdistuksellakriittisin saavutetaanyksikköoperaatio. pelkkään uuttoonAdsorptioonverrattunakorkeampi tuotteen puhtausaste. Elintarvikesovellukseen sopivia adsorptiohartsejaperustuvalla uutteen puhdistuksella saavutetaan pelkkään uuttoon verrattunaonkorkeampi kaupallisestituotteen puhtausaste. saatavilla useiltaElintarvikesovellukseen valmistajilta. Erotussopivia adsorptiohartsejaon tyypillisestipanosprosessi, mutta voidaan toteuttaa teollisessa valmistuksessaon kaupallisesti saatavilla useilta valmistajilta. Erotus on tyypillisestijatkuvatoimisestipanosprosessi, käyttämällämutta voidaan useita rinnakkaisiatoteuttaa kolonneja.teollisessa Useinvalmistuksessavaikeutena onskaalata laboratoriomitan adsorptioprosessi kannattavaksi, teknisestijatkuvatoimisesti käyttämällä useita rinnakkaisia kolonneja. Usein vaikeutena ontoteutettavaksiskaalata laboratoriomitan ja helposti ohjattavaksiadsorptioprosessi teolliseen mittakaavaankannattavaksi, prosessiksi.teknisestitoteutettavaksi ja helposti ohjattavaksi teolliseen mittakaavaan prosessiksi.Kuvassa 3 on esitetty tarkasteltujen patenttien ryhmittely fenolisten yhdisteidenuuttamiseen biomassasta käytettyjen liuotinten mukaisesti. OrgaanisillaKuvassa 3 on esitetty tarkasteltujen patenttien ryhmittely fenolisten yhdisteidenliuottimillauuttamiseen (keltainen)biomassasta tarkoitetaankäytettyjen muitaliuotinten yhdisteitämukaisesti. kuin etanoliaOrgaanisilla(esim.etyyliasetaatti ja butanoli). Valtaosa patenteista perustuu siis vesi- tai vesi-etanoliliuottimilla (keltainen) tarkoitetaan muita yhdisteitä kuin etanolia (esim.-uuttoon,etyyliasetaatti mikäja onkinbutanoli). elintarvikesovelluksiaValtaosa patenteista ajatellenperustuu välttämätöntä.siis vesi- tai Entsyymejävesi-etanoli(lähinnä pektinaasi) käytetään estämään uutteen geeliytymistä ja viskositeetin-uuttoon, mikä onkin elintarvikesovelluksia ajatellen välttämätöntä. Entsyymejäkasvua.(lähinnä pektinaasi) käytetään estämään uutteen geeliytymistä ja viskositeetinkasvua.11

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0711 (17)876543210SFCentsyymitorgaanisetvesi (neutr.)vesi-EtOHhappo/emäsKuva 3. Neste-kiinteä-uutossa käytetyt liuottimet ja niiden esiintymistiheyspatenttiaineistossa.Kuvissa 4 ja 5 on esitetty vuosittain niiden patenttien lukumäärät, joissahyödynnetään neste-neste-uuttoa, adsorptiota tai ultrasuodatusta uutteenpuhdistuksessa ja fenolisten yhdisteiden talteenotossa. Mainittu vuosiluku viittaapatenttihakemuksen jättöpäivämäärään. Kuvista havaitaan, että fenolistenyhdisteiden talteenottoon liittyviä patentteja on julkaistu 2000-luvulla selvästienemmän kuin aikaisemmilla vuosikymmenillä. Adsorptioerotus on selvästiyleisempi menetelmä kuin neste-neste-uutto lähinnä selektiivisyytensä vuoksi.Kalvosuodatusta on käytetty vain harvoin.432101996 1997 2001 2002 2003 2005Kuva 4. Neste-kiinteä- ja neste-neste-uuttoa erotusmenetelmänä hyödyntävienpatenttien lukumäärät vuosittain.12

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0712 (17)432101957197719831989199920002001200320042005Kuva 5. Adsorptioerotusta (vihreä) ja/tai ultrasuodatusta (punainen)hyödyntävien patenttien lukumäärät vuosittain.Kuvassa 6 on listattu adsorbenttimateriaaleja, joita patenttikirjallisuudessa onkäytetty uutteen käsittelyssä. Polystyreeni (neutraali polymeeri) on yleisimminkäytetty adsorbentti. Sillä on myös FDA-hyväksyntä. Ioninvaihtoa (IEX) onkäytetty lähinnä suolojen poistamiseen uutteesta, eikä sillä yleensä pyritäerottamaan selektiivisesti fenolisia yhdisteitä. Sephadex on kokoeksluusiogeeli,mutta joissakin patenteissa (kuten myös eräissä akateemisissa julkaisuissa) sitä onkäytetty myös adsorbenttina.43210N/AIEXSephadexsilikaselluloosaaktiivihiilipolyamidipolyakryylipolystyreeniKuva 6. Stationaarifaasimateriaalit uutteen adsorptioerotusta hyödyntävissäpatenteissa. N/A = tietoa ei saatavilla, IEX = ioninvaihtohartsit.13

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0713 (17)Kuvassa 7 on esitetty prosessikaavio fenoli-/antosyaaniuutteen valmistuksenvaihtoehdoista, joissa liuottimina käytetään vain vettä ja etanolia. Lähtökohtanaon oletettu, että raaka-aineena on pakastettu kokonainen marja, josta fenolisetyhdisteet irrotetaan ensin mahdollisimman tehokkaasti mehuun, josta ne sittenedelleen konsentroidaan. Fenolisia yhdisteitä voidaan erottaa myös mehunvalmistuksen puristekakusta, jonne marjan fenolisista yhdisteistä jää jopa 20–50% marjalajista ja entsyymikäsittelystä riippuen. Puristekakussa fenoliset yhdisteetovat sitoutuneet voimakkaasti marjan kuitufraktioon ja niiden irrottaminen onhankalaa ja saannot jäävät pieniksi. (VTT:n ja Kuopion yliopiston yhteistyössätekemät marjatutkimukset Maxfun (EU) ja Enzmarja (MMM)).MarjatSulatusEntsyymiVesiPuristekakkuKuivausSiementenerotusKuivakuitujaeSiemenjaeMurskausEntsyymikäsittelyPuristus taisentrifugointiKakunpesuPuristekakkuEntsyymikäsittelyPuristusEtanoliVesiMehuKiintoain.suodatusHaihdutuskonsentrointiAdsorptioerotusEtanolinhaihdutusKuivaus’Sokeriliuos’KuivafenolijaeKonsentrointikalvotekniikoillaKuva 7. Fenoli-/antosyaaniuutteen valmistusprosessi.Kuvassa 7 kuvatun prosessin entsyymikäsittelyn tarkoituksena on hajottaamarjojen pektiini, jolloin mehusaanto paranee ja marjan fenoliset yhdisteetsaadaan irrotetuksi mehufraktioon. Jos pektiiniä ei hajoteta, se aiheuttaa ongelmiamyös adsorptioerotuksessa ja kuivauksessa. Tarkasteltavista marjoista karpalolla,mustaherukalla ja puolukalla on korkea pektiinipitoisuus. Vaikka mustikanpektiinipitoisuus on matala, myös se tarvitsee entsyymikäsittelyn. Mehunpuristuksessa käytettyjen kaupallisten entsyymivalmisteiden pääkomponentit ovatsoluseiniä rikkovia pektinaaseja, kuten polygalakturonaasia ja pektiinilyaasia.Entsyymivalmisteet sisältävät lähes aina myös sivuaktiivisuuksina muitaglykosidaaseja, kuten -arabinosidaasia, -galaktosidaasia ja -glukosidaasia,jotka saattavat heikentää esim. antosyaanien stabiilisuutta joidenkin marjojenkohdalla. Nämä sivuaktiivisuudet voivat irrottaa antosyaanin sokeriyksikön jahajoamisen seurauksena muodostunut yhdiste on epästabiilimpi kuin alkuperäinenantosyaani. Tästä seuraa mehun värin ja bioaktiivisuuden väheneminen.Puristuksessa käytettävä entsyymivalmiste pitää aina valita marjakohtaisesti jasopivan valmisteen löytämiseksi sen sivuaktiivisuuksien tulee olla tiedossa.Marjojen entsyymikäsittely tehdään n. 40 °C:n lämpötilassa ja marjan omassapH:ssa, vaikka ne eivät olisikaan optimaalisia entsyymin toiminnan kannalta.Korkeammat lämpötilat ja pH-arvot hajottavat marjojen antosyaaneja ja eivät siksitule kyseeseen.14

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-07TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-07 14 (17)Mehun fenolisten yhdisteiden saantoa voidaan parantaa kakun pesulla, mutta pesuMehunon optimoitavafenolistenvedenyhdisteidenmäärän jasaantoasaannonvoidaanvälillä,parantaasillä saannonkakunparantaminenpesulla, muttaeipesusaaonkuitenkaanoptimoitavalisätävedenedelleenmääränprosessoitavanja saannon välillä,nesteensillämäärääsaannonkohtuuttomaksi.parantaminen ei saakuitenkaan lisätä edelleen prosessoitavan nesteen määrää kohtuuttomaksi.Puristuksen jälkeen mehusta erotetaan kiintoaineet suodattamalla taiPuristuksensentrifugoimalla.jälkeenLaitevalintaanmehustavaikuttavaterotetaan kiintoaineetmehun kiintoaineensuodattamallamäärätaijasentrifugoimalla.partikkelikoko, joihinLaitevalintaanpuolestaan vaikuttavatvaikuttavatedeltävätmehunprosessivaiheet,kiintoaineen määrämurskausjapartikkelikoko,ja puristus. Suodatettujoihin puolestaanmehuvaikuttavatkonsentroidaanedeltävätadsorptioerotuksenprosessivaiheet, murskauskannaltajaoptimaaliseenpuristus.väkevyyteen.Suodatettu mehu konsentroidaan adsorptioerotuksen kannaltaoptimaaliseen väkevyyteen.6 Johtopäätökset6 Johtopäätökset6 Johtopäätökset14 (17)Marjojen fenolisten yhdisteiden eristäminen on teknologisesti mahdollistaMarjojenteollisessafenolistenmittakaavassa.yhdisteidenProsessissaeristäminentarvittavaon teknologisestiteknologiamahdollistaja senteollisessayksikköoperaatiotmittakaavassa.ovat yleisestiProsessissatunnettuja. Fenolistentarvittavayhdisteidenteknologiaeristämiseenja senyksikköoperaatiotliittyvissä patenteissaovatonyleisestiyleensätunnettuja.suojattu kokoFenolistenprosessiyhdisteidenuutosta kuivaukseen,eristämiseenliittyvissävaikkakinpatenteissakeksinnöllisyyson yleensäon yleensäsuojatturajoittunutkoko prosessiesimerkiksiuutostauuttovaiheessakuivaukseen,vaikkakinkäytettäväänkeksinnöllisyysliuotinkoostumukseenon yleensätairajoittunutadsorptioerotuksessaesimerkiksi uuttovaiheessakäytettäväänkäytettäväänadsorbenttiin.liuotinkoostumukseenVaikka patenteissa tyypillisestitai adsorptioerotuksessaluetellaankinkäytettäväänlaaja kirjoadsorbenttiin.tuotefraktion käyttökohteitaVaikka patenteissa(ravintolisät,tyypillisestiväriaineet, kosmetiikkatuotteet),luetellaankin laajaeikirjotämätuotefraktionestä yksityiskohdiltaankäyttökohteitatoisenlaisella(ravintolisät, väriaineet,prosessillakosmetiikkatuotteet),tuotettujen fraktioidenei tämäestähyödyntämistäyksityiskohdiltaanmainituissa käyttökohteissa.toisenlaisella prosessilla tuotettujen fraktioidenhyödyntämistä mainituissa käyttökohteissa.Vaikka selvityksen perusteella on saatu hyvä yleiskuva marjan fenolistenVaikkayhdisteidenselvityksenerottamisenperusteellateknologioistaon saatuja kokohyväprosessista,yleiskuvasisältyymarjan fenolistenprosessiinyhdisteidenyksikköoperaatioita,erottamisenjotkateknologioistaon optimoitavaja kokokokeellisestiprosessista, sisältyyja simuloinneinprosessiinyksikköoperaatioita,tehdassuunnittelun lähtökohtienjotka onmäärittämiseksi.optimoitava kokeellisestiVasta senjajälkeensimuloinneinvoidaantehdassuunnittelunarvioida prosessin investointilähtökohtienja käyttökustannuksia.määrittämiseksi. Vasta sen jälkeen voidaanarvioida prosessin investointi- ja käyttökustannuksia.Kriittisin yksikköoperaatio on adsorptioerotus, jonka suunnittelun kriteereinäKriittisinvoidaan pitääyksikköoperaatiotuotteen puhtauttaon adsorptioerotus,ja saantoa, eluentin kulutusta (m 3 /kg), jaspesifistä tuottavuutta (kg/m 3 jonka suunnittelun kriteereinävoidaan pitää tuotteen puhtautta ja/a).saantoa,Jatkuvatoimiseneluentin kulutustaerotusprosessin(m 3 /kg), jaspesifistäadsorptiovaiheeseentuottavuuttatarvitaan(kg/mkaksi 3 /a).tai useampiaJatkuvatoimisenkolonneja sekä,erotusprosessintavoiteltaessaadsorptiovaiheeseenkorkeaa saantoa, välisäiliöitätarvitaan kaksikierrätysvirtojatai useampia kolonnejavarten. Adsorptioerotuksessasekä, tavoiteltaessakorkeaatarvitaansaantoa,väkeväävälisäiliöitäetanoliliuosta,kierrätysvirtojajoten myösvarten.prosessinAdsorptioerotuksessaturvallisuuteen ontarvitaankiinnitettäväväkevääerityistäetanoliliuosta,huomiota.joten myös prosessin turvallisuuteen onkiinnitettävä erityistä huomiota.Erotusmateriaalilta vaaditaan korkeaa adsorptiokapasiteettia ja hyvääErotusmateriaaliltaeluoitavuutta, jotkavaaditaanovat keskenäänkorkeaaristiriitaisetadsorptiokapasiteettiaominaisuudet. Näinja hyvääolleneluoitavuutta,erotusmateriaalinjotkaominaisuudetovat keskenäänon optimoitavaristiriitaisetyhdessäominaisuudet.eluenttikoostumuksenNäin ollenerotusmateriaalinkanssa. Erotukseenominaisuudetajettavan liuoksenon optimoitavakonsentraatio,yhdessäkolonnineluenttikoostumuksenkuormitettavuus,kanssa.ajettavuusErotukseenja kapasiteettiajettavanon määritettäväliuoksen konsentraatio,kokeellisesti.kolonninTämän jälkeenkuormitettavuus,prosessinajettavuussuunnitteluajavoidaankapasiteettijatkaaonmatemaattisenmääritettävä kokeellisesti.mallinnuksenTämänavulla.jälkeen prosessinsuunnittelua voidaan jatkaa matemaattisen mallinnuksen avulla.Marjojen entsyymikäsittelyn optimointi (prosessoitavalle marjalle sopivanMarjojenentsyymivalmistenentsyymikäsittelynvalinta ja annostus)optimointipektiinin(prosessoitavallehajottamiseksimarjalleon oleellistasopivankokoentsyymivalmistenloppuprosessin onnistumisenvalinta ja annostus)kannalta.pektiininMuitahajottamiseksikokeellisestion oleellistaoptimoitaviakokoloppuprosessinyksikköoperaatioitaonnistumisenovat puristekakunkannalta.pesu,Muitakiintoaineenkokeellisestierotus puristuksenoptimoitaviajayksikköoperaatioitapesun jälkeen sekä sitäovatseuraavapuristekakunkonsentrointi.pesu, kiintoaineenMyös adsorptioerotuksenerotus puristuksenjälkeisenjapesunnestemäisenjälkeenuutteensekä sitäkuivausseuraavavaatiikonsentrointi.kokeellista optimointia.Myös adsorptioerotuksen jälkeisennestemäisen uutteen kuivaus vaatii kokeellista optimointia.15

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0715 (17)7 Ehdotus jatkotoimenpiteiksi7 Ehdotus jatkotoimenpiteiksiFenolisten yhdisteiden eristämisprosessin tehdassuunnittelun lähtökohtienmäärittämiseksi vaadittavat kokeelliset optimoinnit ja simuloinnit ehdotetaantoteutettaviksi yritysten, VTT:n, Lappeenrannan teknillisen yliopiston jamahdollisten muiden tutkimustahojen kanssa yhteistyönä tehtävässä hankkeessa.Tavoitteena on koota hankkeeseen yrityksiä koko marjojen jalostusketjusta, raakaaineentoimittajista jakeiden valmistajiin ja loppukäyttäjiin saakka. Myösyrityksiä, joilla on osaamista prosessin yksikköoperaatioista tai niidensuunnittelusta, toivotaan hankkeeseen yhteistyökumppaneiksi.VTT:llä on pitkäaikainen kokemus marjojen entsyymiavusteisista prosesseista jaentsyymikäsittelyn vaikutuksista marjojen fenolisiin yhdisteisiin. VTT:llä onmyös hyvä laitekanta ja osaamista useimpien erotusprosessinyksikköoperaatioiden pilot-mittakaavan optimointiin.Yksikköoperaatioista kriittisimpänä adsorptioprosessin kehittämiseen tulisipanostaa hankkeessa. Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa adsorptioerotustaon tutkittu 1980-luvulta lähtien ja kehitetty adsorptioerotuksen simulointiintarvittavia työkaluja ja adsorbenttimateriaaleja.Suomessa on kansainvälisesti vertailtuna korkeatasoista osaamista teollisenmittakaavan kromatografisesta erotuksesta (Danisco Oy, Kantvikintutkimuskeskus). Lisäksi insinööritoimistoista ainakin Rintekno Oy:llä onrunsaasti kokemusta kolonnierotusprosessien suunnittelusta. Kaupallisestisaatavilla olevien hydrofobisten polymeeriadsorbenttien lisäksi tulisi selvitettäämyös mahdollisuus räätälöityihin materiaaleihin, erityisesti mikäli olemassaolevat patentit estävät tunnettujen kaupallisten materiaalien käytön. Finex Oyvalmistaa Kotkassa muun muassa fenolisten yhdisteiden adsorptioon soveltuviaelintarvikelaatuisia polymeeriadsorbentteja.Marjojen fenolisten yhdisteiden eristämiseen ja jalostamiseen liittyvätutkimushanke korkean teknologian tuotteiden kehittämiseksi voidaan toteuttaaesimerkiksi yritysryhmähankkeena. Se voisi sopia myös Tekesininnovaatioläheisen julkisen tutkimuksen hankkeessa toteutettavaksi tai Tekesinkeväällä 2007 käynnistyneeseen BioRefine-ohjelmaan, jossa biomassanjalostukseen muiksi kuin energiatuotteiksi keskittyvä julkisen tutkimuksenrahoitushaku aukeaa syksyllä 2007.16

LähdeviitteetLähdeviitteetBailey, D.T., Freeberg, D.R., Gertenbach, D., Gourdin, G.T., Richheimer, S.L., Tempesta,M.S & Daugherty, F.J. Pat. US 20020055471. 2002. Efficient method for producingcompositions enriched in anthocyanins. Appl. US 20010943158, 20.8.2001. Publ. 9.5.2002.17 s.Daugherty, F.J. & Tempesta M.S. Pat. WO 2006014499. 2006. Cinnamon extract enriched forpolyphenols and methods of preparing same. Phenolics LLC (US). Appl. WO2005US24003, 6.7.2005. Publ. 2.9.2006. 125 s.Daugherty, F.J., Tempesta M.S., Freeberg, D.R., Nichols, R.L., Richhmeier, S.L., Gourdin,G.T & Bailey, D.T Pat. CA 2554182. 2005. Compositions enriched in phenolic compoundsand methods for producing same. Phenolics LLC (US). Appl. CA 20052554182, 20.1.2005.Publ. 11.8.2005. 119 s.ENZMARJA, Hallitulla entsymaattisella prosessoinnilla terveellisempiä ja laadukkaampiamehuja. MMM-projekti, 2004–2005.Frejd, D. & Ditlin, F. Pat. FR 2641283. 1990. Purification of colored substances, especiallyanthocyanosides, from berries. Newpharm (FR). Appl. FR 1989-54, 4.1.1989. Publ. 6.7. 1990.6 s.Gabetta, B. & Zini, G. Pat. EP 0412300. 1991. Process for the preparation of extracts havinghigh content in anthocyanosides. Inverni Della Beffa Spa (IT). Appl. EP 19900113064,9.7.1990. Publ. 13.2.1991. 5 s.Gourdin, G.T., Richheimer, S.T., Bailey, D.T., Nichols, R., Freeberg, D.R., Tempesta, M.S. &Daugherty J.F. Pat. WO 2005072762. 2005. Compositions enriched in phenolic compoundsand methods for producing same. Phenolics LLC (US). Appl. WO 2005US01984, 20.1.2005.Publ. 11.8.2005. 117 s.Gourdin, G.T., Richhmeier, S.L., Tempesta, M.S., Bailey, D.T., Nichols, R., Daugherty, F.J.& Freeberg, D.R. Pat. US 2005266104. 2005. Efficient method for producing compositionsenriched in total phenols. Phenolics LLC (US). Appl. US 20050179771, 12.7.2005. Publ.1.12.2005. 55 s.Hilton, B.W., Lin, R.I. & Topor, M.G. Pat. US 4320009. 1982. Processed anthocyaninpigment extracts. Frito-lay, Inc. (US). Appl. US 1979-17824, 5.3.1979. Publ. 16.3.1982. 7 s.Hong, T.H., Hong, W.H. & Huh, Y.S. Pat. KR 2005079431. 2005. Method for rapid,inexpensive separation and isolation of oligomeric proanthocyanidins from wild grape seedextract. Daejeon Health Sciences College (KR). Appl. KR 2004-7681, 5.2.2004. Publ.10.8.2005.Hu, Y. Pat. CN 1923831. 2007. Method for extracting polyphenol from grape seed. ZhejiangRecover Biotech Com, Ltd. (CN). Appl. CN 2005-10060603, 1.9.2005. Publ. 7.3.2007. 7 s.17

TUTKIMUSRAPORTTI VTT-R-07449-0717 (17)Lang, T.R. Pat. WO 0220112. 2002. Process for selectively extracting bioactive components.Food Ingredients Technologies (AU). Appl. WO 2001AU01113, 4.9.2001. Publ. 14.3.2002. 4s.Lietti, A. & Bonati, A. Pat. US 4413004. 1983. Pharmaceutical compositions. Inverni DellaBeffa Spa (IT). Appl. US 19820445075, 29.11.1982. Publ. 1.11.1983. 11 s.Majoie, B. Pat. DE 1767614. 1972. Process for extracting anthocyanins and medicamentscontaining such compounds. Rech S Ind Sorisa Soc (D). Appl. DE 19681767614, 29.5.1968.Publ. 30.3.1972. 25 s.MAXFUN, Novel enzyme-aided extraction technologies for maximized yield andfunctionality of bioactive components of consumer products and ingredients from byproducts.EU-projekti, 2003–2005. http://maxfun.vtt.fi/McKenzie, M.A. Pat. WO 03084559. 2003. Vaccinium species compositions with novelbeneficial properties. Arctos Pharmaceuticals Inc (US). Appl. WO 2003US10200, 3.4.2003.Publ. 16.10.2003. 105 s.Nair, M.G. Pat. US 2005037130. 2005. Method and composition for producing berry derivedproducts. University Michigan (US). Appl. US 20040821581, 9.4.2004. Publ. 17.2.2005.14 s.Puupponen-Pimiä, R, Nohynek, L. Alakomi, H-L. & Oksman-Caldentey K-M. 2005.Bioactive berry compounds–novel tools against human pathogens. Mini-review. Appliedmicrobiological Biotechnology. 67:8-18.Shrikhande, A.J., Race, E.J., Wightman, J.D. & Sambueso, R.D. Pat. US 6544581. 2003.Process for extraction, purification and enrichment of polyphenolic substances from wholegrapes, grape seed and grape pomace. Canandaigua Wine Company Inc (US). Appl. US20000599333, 22.6 2000. Publ. 8.4.2003. 13 s.Slimestad, R. Pat. US 2003091660. 2003. Product. Appl. US 20020145510, 15.5 2002. Publ.5.15.2003. 4 s.Soulier, C. & Dufour, D. Pat. US 2002018821. 2002. Process for the purification of red fruitextract containing anthocyanosides extract obtained from the process and use of said extract.Appl. US 20010929269, 14.8.2001. Publ. 14.2.2002. 6 s.Tempesta, M.S., Daugherty, F.J., Bailey, D.T., Freeberg, D.R., Gertenbach, D., Gourdin, G.& Richhmeier, S. Pat. WO 2002017732. 2002. Efficient method for producing compositionsenriched in anthocyanins. Hauser Inc, Tempesta, M.S and Daugherty, F.J. (US). Appl. WO2001US27161. 31.8.2001. Publ. 7.3.2002. 36 s.Törrönen, R. 2006. Tutkimustietoa marjojen terveellisyydestä ja terveysvaikutuksista.Elintarvikkeiden terveysvaikutusten tutkimuskeskus (ETTK), Kliinisen ravitsemuksenyksikkö, Kuopion yliopisto.18