Proceso para la purificación de xilooligosacáridos basado en el empleo de la diafiltración.

La presente invención, titulada "Proceso para la purificación de xilooligosacáridos basado en el empleo de la diafiltración", reivindica un procedimiento aplicable a la purificación de xilooligosacáridos obtenidos mediante degradación hidrolítica (por vía química y/o enzimática) de la fracción hemicelulósica de biomasa vegetal en medio acuoso. Los licores de hidrólisis contienen xilooligosacáridos junto con otros componentes no deseados, que deben ser eliminados para permitir la utilización de los xilooligosacáridos con fines alimentarios. Este objetivo se consigue por medio de diafiltración (eventualmente, en combinación con otras operaciones de naturaleza físico-química que se describen en el texto de la solicitud). Se reivindica la utilización de las fracciones conteniendo xilooligosacáridos purificados como ingredientes alimentarios con propiedades prebióticas, aplicables en la nutrición humana y en la alimentación animal.

Proceso para la purificación de xilooligosacáridos basado en el empleo de la diafiltración.

Sector de la técnica

La invención plantea la aplicación de técnicas básicas de la Química y de la Ingeniería Química (operaciones de concentración y separación) a la purificación de disoluciones obtenidas por procesamiento químico de biomasa vegetal rica en hemicelulosas. Por las aplicaciones alimentarias del producto final y por tratarse del desarrollo de un proceso químico, el objeto de esta patente también está relacionado con áreas de la técnica como la Tecnología de los Alimentos, Ingeniería de los Alimentos e Ingeniería de Procesos.

Estado de la técnica

La biomasa vegetal tiene una estructura heterogénea y una composición variable en función de su origen. Sus componentes incluyen polisacáridos (celulosa, hemicelulosas y pectinas), compuestos fenólicos libres (extraíbles sin reacción química) o ligados (formando parte de macromoléculas), proteínas, componentes inorgánicos y otras fracciones de poca importancia para los fines de esta invención. Algunos tipos de biomasa (como maderas de frondosas, salvados y determinados residuos agrícolas) tienen hemicelulosas principalmente constituidas por xilano (formado por unidades de xilosa unidas por enlaces β 1-4), en donde los monómeros estructurales pueden estar sustituidos (por ejemplo, con azúcares, compuestos fenólicos, ácidos urónicos o metil urónicos, y/o grupos acetilo). Información relevante sobre estos puntos aparece publicada en los siguientes trabajos: Ebringerová, A.; Heinze, T., Xylan and xylan derivatives-biopolymers with valuable properties. 1. Naturally occurring xylans: structures, isolation procedures and properties, Macromol. Rapid Commun. 2000, 21, 542-556; y Ebringerová, A.; Hromádková, Z.; Heinze, T., Hemicellulose, Adv. Polym. Sci. 2005, 186, 1-67.

La hidrólisis parcial por vía química de las hemicelulosas conteniendo xilano puede conducir a mezclas de composición compleja, formadas por polímeros derivados del xilano de menor peso molecular que el polímero original, xilooligómeros, xilosa, otros monosacáridos, subproductos de reacción de los monosacáridos (por ejemplo, furfural e hidroximetilfurfural), ácido acético, metanol, componentes inorgánicos, compuestos nitrogenados, fracciones extraíbles presentes en la materia prima y otros componentes de menor interés para la finalidad de esta patente. Alternativa o complementariamente, pueden generarse xilooligosacáridos mediante enzimas con actividad xilanásica, que pueden actuar sobre biomasa nativa conteniendo xilano, sobre fracciones de biomasa enriquecidas en xilano por procesamiento químico previo, o sobre disoluciones que procedan del fraccionamiento químico de biomasa en donde aparezcan fracciones poliméricas solubles derivadas del xilano. Información complementaria sobre este tema puede encontrarse en los siguientes artículos: Vázquez, M. J.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Xylooligosaccharides. Manufacture and applications, Trends Food Sci. Technol. 2000, 11, 387-393; y Moure, A.; Gullón, P.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Advances in the manufacture, purification and applications of xylooligosaccharides as food additives and nutraceuticals, Proc. Biochem. 2006, 41, 1913-1923. Más específicamente, se han publicado datos sobre la producción de xilooligosacáridos por la acción directa de xilanasas sobre zuros de maíz (Katapodis, P.; Christakopoulos, P., Enzymic production of feruloyl xylo-oligosaccharides from corn cobs by a family 10 xylanase from Thermoascus aurantiacus, LWT-Food Sci. Technol. 2008, 41, 1239-1243), por tratamiento directo de materiales lignocelulósicos en medio acuoso (Carvalheiro, F.; Garrote, G.; Parajó, J. C.; Pereira, H.; Girio, F. M., Kinetic modeling of brewery's spent grain autohydrolysis, Biotechnol. Prog. 2005, 21, 233-243; Garrote, G.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Production of substituted oligosaccharides by hydrolytic processing of barley husks, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 1608-1614) y por procesamiento enzimático de licores de autohidrólisis (Vegas, R.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Enzymatic processing of rice husk autohydrolysis products for obtaining low molecular weight oligosaccharides, Food Biotechnol. 2008, 22, 31-46; Vázquez, M. J.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Enzymatic processing of crude xylooligomer solutions obtained by autohydrolysis of Eucalyptus wood, Food Biotechnol. 2002, 16, 91-105).

Los xilooligosacáridos se obtienen en medios que también contienen otros productos no deseados. Esto es particularmente cierto en los casos donde los xilooligosacáridos se obtienen por métodos basados en el procesamiento químico de biomasa vegetal nativa, donde la composición de los medios puede ser muy compleja. Puede encontrarse información sobre este punto en las siguientes referencias: Garrote, G.; Kabel, M. A.; Schols, H. A.; Falqué, E.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Effects of Eucalyptus globulus wood autohydrolysis conditions on the reaction products. J. Agric. Food Chem. 2007, 55, 9006-9013; y Garrote, G.; Falqué, E.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Autohydrolysis of agricultural residues: study of reaction byproducts, Biores. Technol. 2007, 98, 1951-1957.

Para obtener xilooligosacáridos de calidad alimentaria se necesita purificar los productos de reacción, aplicando distintos procedimientos físico-químicos, como los que se incluyen en las siguientes referencias: Parajó, J. C.; Domínguez, H.; Alonso, J. L.; Vázquez, M. J.; Garrote, G., Proceso para la purificación de oligosacáridos obtenidos a partir de biomasa, Patente española con número de solicitud P200102313, fecha de solicitud 22.10.2001, fecha de aplicación: 01.07.2003; Vázquez, M. J.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Production and refining of soluble products from Eucalyptus globulus glucuronoxylan, Collect. Czech. Chem. Comm. 2007, 72, 307-320; Vázquez, M. J.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Enhancing the potential of oligosaccharides from corncob autohydrolysis as prebiotic food ingredients, Ind. Crops Prod. 2006, 24, 152-159; Vázquez, M. J.; Garrote, G.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Refining of autohydrolysis liquors for manufacturing xylooligosaccharides: evaluation of operational strategies, Biores. Technol. 2005, 96, 889-896.

La bibliografía científica y técnica está prestando una atención creciente a la aplicación de tecnologías de membrana para la generación de xilooligosacáridos (Freixo, M. R.; Norberta de Pinho, M., Enzymatic hydrolysis of beechwood xylan in a membrane reactor, Desalination, 2002, 149, 237-242; González-Muñoz, M. J.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Depolymerization of xylan-derived producís in an enzymatic membrane reactor, J. Membr. Sci. 2008, 320, 224-231), para su concentración (Yuan, Q. P.; Zhang, H.; Qian, Z. M.; Yang, X. J., Pilot-plant production of xylo-oligosaccharides from corncob by steaming, enzymatic hydrolysis and nanofiltration, J. Chem. Technol. Biotechnol. 2004, 79, 1073-1079) o para su purificación (Vegas, R.; Moure, A.; Domínguez, H.; Parajó, J. C.; Alvarez, J. R.; Luque, S., Purification of oligosaccharides from rice husk autohydrolysis liquors by ultra- and nano-filtration, Desalination 2006, 199, 541-543; Vegas, R.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Manufacture and refining of oligosaccharides from industrial solid wastes, Ind. Eng. Chem. Res. 2005, 44, 614-620; Vegas, R.; Luque, S.; Alvarez, J. R.; Alonso, J. L.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Membrane-assisted processing of xylooligosaccharide-containing liquors, J. Agrie. Food Chem. 2006, 54, 5430-5436; Gullón, P.; González-Muñoz, M. J.; Domínguez, H.; Parajó, J. C., Membrane processing of liquors from Eucalyptus globulus autohydrolysis, J. Food Eng. 2008, 87, 257-265). No se ha encontrado información bibliográfica sobre la purificación de xilooligosacáridos por procesos basados en diafiltración, un modo de operación que presenta ventajas respecto a otras alternativas de procesamiento con membranas, al mejorar la purificación, limitar la polarización por concentración (con el consecuente aumento del flujo de permeado), y disminuir el consumo energético y el gasto de disolvente.

La diafiltración es un modo de operación en que se lleva a cabo una ultrafiltración o nanofiltración con aporte de disolvente añadido. El disolvente puede añadirse continuamente con el mismo caudal que el permeado (modo de operación que se conoce como diafiltración a volumen constante), añadirse continuamente con un caudal menor que el del permeado (modo de operación que... [Seguir leyendo]

1. El proceso de purificación de oligosacáridos contenidos en los licores de degradación hidrolítica de hemicelulosas de materiales lignocelulósicos ricos en xilano, consistente en: una o varias etapas de concentración (opcionales), tratamiento de los medios originales o de los licores concentrados que surgen del procesamiento indicado anteriormente por diafiltración, procesamiento (opcional) de los licores retenidos en una o varias etapas de ultrafiltración o nanofiltración, procesamiento posterior (opcional) de los licores procesados con adsorbentes y/o resinas de cambio iónico, y deshidratación de las disoluciones resultantes, para obtener un producto sólido purificado conteniendo xilooligosacáridos.

2. El proceso de purificación de oligosacáridos contenidos en los licores de degradación hidrolítica de hemicelulosas de materiales lignocelulósicos ricos en xilano consistente en: una o varias etapas de concentración (opcionales), tratamiento de los medios originales o de los licores concentrados que surgen del procesamiento indicado anteriormente por diafiltración, procesamiento (opcional) de los licores retenidos en una o varias etapas de ultrafiltración o nanofiltración, tratamiento de los medios procesados con enzimas que presenten actividad xilanásica, procesamiento del medio de reacción así obtenido en una o varias etapas de ultrafiltración, nanofiltración o diafiltración, de modo que se obtenga una disolución concentrada en xilooligosacáridos, tratamiento (opcional) de los correspondientes concentrados con adsorbentes y/o resinas de cambio iónico en una o varias etapas, y deshidratación de las disoluciones para obtener un producto sólido purificado conteniendo xilooligosacáridos.

3. La utilización de los productos purificados obtenidos según el proceso descrito en la reivindicación 1 como ingredientes alimentarios con propiedades prebióticas, aplicables a la alimentación humana o animal.

4. La utilización de los productos purificados obtenidos según el proceso descrito en la reivindicación 2 como ingredientes alimentarios con propiedades prebióticas, aplicables a la alimentación humana o animal.