Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft die Formulierung von Enzymen, vorzugsweise
Futterenzymen, zu stärkehaltigen Granulaten und Verfahren zur Herstellung derartiger
enzymhaltiger Granulate. Diese (genießbaren) Granulate können dann in
Tierfutter verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Es ist fast schon allgemein üblich geworden, in Tierfutter, z.B.
für Vieh, verschiedene Enzyme zu verwenden. Die Herstellung dieser Enzyme erfolgt
in der Regel durch Kultivierung von Mikroorganismen in großtechnischen Fermentern,
die von industriellen Enzymherstellern betrieben werden. Am Ende der Fermentation
wird die erhaltene „Brühe" in der Regel zur Trennung der Biomasse (der
Mikroorganismen) von dem gewünschten Enzym (in Lösung) einer Reihe von
Filtrationsschritten unterworfen. Danach wird die Enzymlösung als Flüssigkeit
verkauft (oft nach Zusatz verschiedener Stabilisatoren) oder zu einer Trockenformulierung
verarbeitet.
Von Flüssig- und Trockenenzymformulierungen wird in der Futtermittelindustrie
in technischem Maßstab Gebrauch gemacht. Flüssigformulierungen können
dem Futter nach dem Pelletieren zugesetzt werden, damit eine Wärmeinaktivierung
des Enzyms bzw. der Enzyme, die beim Pelletierungsprozeß auftreten würde,
vermieden wird. Die Enzymmengen in den fertigen Futterzubereitungen sind jedoch
in der Regel sehr klein, was eine homogene Dispergierung des Enzyms im Futter erschwert,
und Flüssigkeiten sind bekanntlich schwieriger gleichmäßig in das
Futter einzumischen als trockene Bestandteile. Darüber hinaus benötigt
man für die Zugabe von Flüssigkeiten zu dem Futter nach dem Pelletieren
spezielle (teure) Apparaturen, die gegenwärtig in den meisten Futtermühlen
nicht zur Verfügung stehen (wegen der zusätzlichen Kosten).
Trockenenzymformulierungen sind dagegen mit dem Nachteil der Wärmeinaktivierung
der Enzyme beim Pelletieren behaftet. Bei bevorzugten Herstellungsvorschriften in
der Futtermittelindustrie wird mit Dampf pelletiert, wobei in das Futter vor dem
Pelletieren ein- oder mehrmals Dampf eingeblasen wird. Beim anschließenden
Pelletieren wird das Futter durch eine Matrize oder Düse gepreßt, wonach
die erhaltenen Stränge in geeignete Pellets variabler Länge geschnitten
werden. Der Feuchtigkeitsgehalt unmittelbar vor dem Pelletieren liegt im allgemeinen
zwischen 18 und 19%. Bei diesem Verfahren kann die Temperatur auf 60–95°C
ansteigen. Der kombinierte Effekt von hohem Feuchtigkeitsgehalt und hoher Temperatur
ist für die meisten Enzyme schädlich. Diese Nachteile sind auch bei anderen
Arten thermomechanischer Behandlungen, wie Extrusion und Expansion, anzutreffen.
Zur Überwindung dieser Probleme wird in der EP-A-0,257,996 vorgeschlagen,
daß die Stabilität von Enzymen bei der Futterverarbeitung durch Herstellung
einer Enzym-„Vormischung", wobei eine enzymhaltige Lösung auf einem
aus Mehl bestehenden getreidebasierten Träger absorbiert und die Vormischung
danach pelletiert und getrocknet wird, verbessert werden könnte. Diese auf
Mehl basierenden Vormischungen eignen sich jedoch aufgrund ihrer Klebrigkeit nicht
für schonendere Methoden der Verarbeitung (der teigartigen Vormischung) zu
Granulaten, wie Extrudieren bei Niederdruck oder Granulieren unter stark scherenden
Bedingungen.
Verschiedene Enzymhersteller haben alternative Formulierungsmethoden
entwickelt, um die Stabilität von Trockenenzymprodukten bei der Pelletierung
und Lagerung zu verbessern.
Die EP-A-0,569,468 (Novo Nordisk) betrifft eine Formulierung aus einem
enzymhaltigen „T-Granulat", das mit einem hochschmelzenden Wachs oder Fett,
das die Beständigkeit gegenüber den Pelletierbedingungen verbessern soll,
überzogen ist. Zur Herstellung des Granulats wird ein trockener anorganischer
Füllstoff (z.B. Natriumsulfat) in einem stark scherenden Granulator mit der
Enzymlösung vermischt. Die EP-A-0,569,468 lehrt, daß jeglicher vorteilhafte
Effekt des Überzugs hinsichtlich der Pelletierungsstabilität für
den beschichteten Granulattyp, der in diesem Fall auf einem Natriumsulfatfüllstoff
basiert, spezifisch ist. Das Absorptionsvermögen dieser (Natriumsulfat-)Füllstoffe
ist jedoch viel geringer als dasjenige von Trägern wie Mehl, was unerwünscht
ist, wenn man konzentriertere enzymhaltige Granulate herstellen will.
Darüber hinaus haben die Granulate eine breite Teilchengrößenverteilung,
was die Erzielung einer durchweg homogenen Enzymkonzentration erschwert. Außerdem
wird die Bioverfügbarkeit des Enzyms für das Tier durch den Wachs- oder
Fettüberzug herabgesetzt.
Die EP 758 018 betrifft salzstabilisierte
sprühgetrocknete feste Enzymzubereitungen, die anorganische Salze und getreidebasierte
Träger, wie Weizengrießkleie oder Reishülsen, enthalten.
Auch die WO-A-97/16076 (Novo Nordisk) betrifft die Verwendung von
Wachsen und anderen wasserunlöslichen Substanzen in teilchenförmigen Materialien,
aber hier werden sie als Matrixmaterial eingesetzt.
Daher besteht Bedarf an stabilen Enzymformulierungen, die auf einem
Träger basieren, welcher für andere Granulationsverfahren als die Pelletierung
geeignet ist und ein hohes Absorptionsvermögen aufweisen kann.
Beschreibung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird
ein Verfahren zur Herstellung eines Phosphatase enthaltenden Granulats, das zur
Verwendung in einem Tierfutter geeignet ist, bereitgestellt, bei dem man eine Phosphatase,
einen festen Träger, der mindestens 30 Gew.-% Stärke enthält, und
Wasser in entsprechenden relativen Mengen zu Phosphatase enthaltenden Granulatkörnern
mit einem Wassergehalt von 30 bis 40% verarbeitet und die Granulatkörner trocknet.
Mit dem nach diesem Verfahren (welches den zweiten Aspekt der Erfindung bildet,
die auch ein Granulat, enthaltend getrocknete Granulatkörner aus einem Enzym
und einem festen Träger, der mindestens 30 Gew.-% Stärke enthält,
abdeckt) erhältlichen Phosphatase enthaltenden Granulat sollen die im Stand
der Technik angetroffenen Probleme gelöst oder zumindest abgeschwächt
werden.
Die Erfindung kann somit Verfahren zur Herstellung von Enzymformulierungen
in Form von Granulaten mit Kohlenhydrat als Träger bereitstellen. Der Träger
kann teilchen- oder pulverförmig sein. Das Enzym und das Wasser werden vorzugsweise
als enzymhaltige (vorzugsweise wäßrige) Flüssigkeit, wie eine Lösung
oder eine Aufschlämmung, bereitgestellt, die mit dem festen Träger vermischt
und auf dem Träger absorbieren gelassen werden kann. Bei oder nach dem Mischen
werden die enzymhaltige Flüssigkeit und der Träger zu einem Granulat verarbeitet,
welches danach getrocknet werden kann. Durch Verwendung des Kohlenhydratträgers
können möglicherweise große Mengen der enzymhaltigen Flüssigkeit
(und damit des Enzyms) absorbiert werden. Die Mischung kann in Form einer plastischen
Paste oder einer nichtelastischen Masse, die leicht zu Granulatkörnern verarbeitet
werden kann und beispielsweise extrudierbar ist, verwendet werden. Der Träger
ist zweckmäßigerweise nicht faserförmig, damit die Granulation sich
einfacher gestaltet: faserförmige Materialien können eine Granulation
durch Extrusion verhindern.
Eine Reihe von Druckschriften des Standes der Technik betreffen verschiedene
Enzyme enthaltende Pellets, die aber als Detergentien, oft in Waschmittelzusammensetzungen,
Anwendung finden. Im Gegensatz dazu findet die vorliegende Anmeldung in Tierfutter
Anwendung, und aus diesem Grund sind die erfindungsgemäßen Granulate genießbar
(für Tiere) und vorzugsweise auch verdaubar. Es kommt daher nicht überraschend,
daß die erfindungsgemäßen Granulate, Granulatkörner und Zusammensetzungen
frei von Seifen, Detergentien, Bleichmitteln oder bleichend wirkenden Verbindungen,
Zeolithen, Bindemitteln, Füllstoffen (TiO2, Kaolin, Silicaten, Talk
usw.) usw. sind.
Das genießbare Kohlenhydratpolymer sollte so gewählt werden,
daß es für das Tier, für welches das Futter vorgesehen ist, genießbar
und vorzugsweise auch verdaubar ist. Das Polymer enthält Glucoseeinheiten (z.
B. ein Glucose enthaltendes Polymer) oder (C6H10O5)n-Einheiten.
Das Kohlenhydratpolymer enthält &agr;-D-Glucopyranoseeinheiten, Amylose (ein
lineares (1 → 4)-&agr;-D-Glucanpolymer) und/oder Amylopektin (ein verzweigtes
D-Glucan mit &agr;-D-(1 → 4)- und &agr;-D-(1 → 6)-Bindungen).
Das gewählte Kohlenhydratpolymer ist Stärke. Andere geeignete glucosehaltige
Polymere, die neben Stärke verwendet werden können, sind u.a. &agr;-Glucane,
&bgr;-Glucane, Pektin (wie z.B. Protopektin) und Glykogen. In Betracht kommen
auch Derivate dieser Kohlenhydratpolymere, wie Ether und/oder Ester davon, wenngleich
verkleisterte Stärke häufig vermieden wird und daher nicht vorliegen darf.
Zweckmäßigerweise ist das Kohlenhydratpolymer wasserunlöslich.
In den hier beschriebenen Beispielen wird Mais-, Kartoffel- und Reisstärke
verwendet. Stärke aus anderen Quellen (z.B. Pflanzen, wie Gemüse oder
Getreide), wie Tapioka, Maniok, Weizen, Mais, Sago, Roggen, Hafer, Gerste, Yamswurzel,
Sorghum oder Pfeilwurz ist jedoch ebenso gut anwendbar. Ganz analog können
im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl native als auch modifizierte Stärketypen
(z.B. Dextrin) verwendet werden. Das Kohlenhydrat (z.B. Stärke) enthält
vorzugsweise wenig oder gar kein Protein, z.B. weniger als 5 Gew.-%, wie weniger
als 2 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 1 Gew.-%.
Unabhängig von der Art der Stärke (oder des anderen Kohlenhydratpolymers)
sollte sie in einer Form vorliegen, in der sie in einem Tierfutter
verwendet werden kann, mit anderen Worten einer genießbaren oder verdaubaren
Form.
Die Stärke macht mindestens 30 Gew.-% des festen Trägers
aus, im Optimalfall mindestens 40 Gew.-%. Vorteilhafterweise handelt es sich bei
der Hauptkomponente des festen Trägers um das Kohlenhydrat (z.B. Stärke),
beispielsweise mehr als 50 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 60 Gew.-%, zweckmäßigerweise
mindestens 70 Gew.-% und im Optimalfall mindestens 80 Gew.-%. Diese Gewichtsprozentangaben
beziehen sich auf das Gesamtgewicht der nichtenzymatischen Komponenten im fertigen
trockenen Granulat.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können das Enzym
und das Wasser vor dem Inberührungbringen mit dem festen Träger in der
gleichen Zusammensetzung vorliegen. Hierbei kann man eine enzymhaltige wäßrige
Flüssigkeit bereitstellen. Bei dieser Flüssigkeit kann es sich um eine
Lösung oder eine Aufschlämmung handeln, die aus einem Fermentationsverfahren
kommt oder sich davon ableitet. Bei diesem Fermentationsverfahren handelt es sich
im allgemeinen um ein Verfahren, bei dem das Enzym produziert wird. Das Fermentationsverfahren
kann eine Brühe ergeben, die die Mikroorganismen (die das gewünschte Enzym
produzieren) und eine wäßrige Lösung enthält. Diese wäßrige
Lösung kann nach Trennung von den Mikroorganismen (beispielsweise durch Filtration)
die enzymhaltige wäßrige Flüssigkeit sein, die im Rahmen der Erfindung
verwendet wird. Somit handelt es sich nach bevorzugten Ausführungsformen bei
der enzymhaltigen wäßrigen Flüssigkeit um ein Filtrat.
Die Menge der enzymhaltigen Flüssigkeit (und somit des Enzyms),
die auf dem Träger absorbiert werden kann, ist in der Regel durch die absorbierbare
Wassermenge begrenzt. Für natürliche körnige Stärke kann diese
ohne Anwendung erhöhter Temperaturen (die die Stärke zum Quellen bringen)
zwischen 25–30 Gew.-% variieren. In der Praxis wird der dem Kohlenhydrat
zuzusetzende Prozentanteil an Enzymflüssigkeit häufig viel größer
sein als dies, da die enzymhaltige Flüssigkeit in der Regel eine beträchtliche
Menge an Feststoffen enthalten wird. Die Enzymlösung kann etwa 25 Gew.-% Feststoffe
enthalten, so daß das Kohlenhydrat (Stärke) und die Enzymlösung in
einem Verhältnis von Kohlenhydrat zu Enzymlösung von 0,5:1 bis 2:1, z.B.
1,2:1 bis 1,6:1, wie in einem Verhältnis von etwa 60 Gew.-%:40 Gew.-%, vermischt
werden können. Vorzugsweise ist die zu dem festen Träger gegebene Flüssigkeitsmenge
so groß, daß (weitgehend) das gesamte Wasser in der (wäßrigen)
Flüssigkeit von dem in dem festen Träger vorliegenden Kohlenhydrat absorbiert
wird.
Bei erhöhten Temperaturen können Stärke und andere
Kohlenhydratpolymere unter Quellung viel größere Wassermengen absorbieren.
Daher ist das Kohlenhydratpolymer wünschenswerterweise zur Absorption von Wasser
(oder enzymhaltigen wäßrigen Flüssigkeiten) in der Lage. So kann
beispielsweise Maisstärke Wasser bei 60°C bis zum Dreifachen ihres Gewichts
und bei 70°C bis zum Zehnfachen ihres Gewichts absorbieren. Somit ist im Rahmen
der vorliegenden Erfindung die Anwendung höherer Temperaturen zwecks Absorption
einer größeren Menge enzymhaltiger Flüssigkeit vorgesehen und in
der Tat bevorzugt, insbesondere beim Arbeiten mit thermostabilen Enzymen. Für
diese Enzyme wird daher das Mischen des festen Trägers und der Flüssigkeit
(oder des Enzyms und des Wassers) bei einer erhöhten Temperatur (z.B. oberhalb
von Raumtemperatur), wie über 30°C, vorzugsweise über 40°C und
im Optimalfall über 50°C, durchgeführt. Alternativ oder zusätzlich
dazu kann die Flüssigkeit bei dieser Temperatur bereitgestellt werden.
Im allgemeinen sind jedoch nichtquellende Bedingungen bei niedrigeren
Temperaturen (z.B. Umgebungstemperaturen) bevorzugt, damit durch Instabilität
von (wärmeempfindlichen) Enzymen bei höheren Temperaturen bedingte Aktivitätsverluste
auf ein Minimum reduziert werden können. Die Temperatur beim Mischen des Enzyms
und des Wassers beträgt zweckmäßigerweise 20 bis 25°C.
Für die im Rahmen der vorliegenden Erfindung zur Herstellung
der Mischung aus dem Enyzm, dem Wasser (z.B. einer enzymhaltigen Flüssigkeit)
und dem festen Träger zu Granulatkörnern verwendete mechanische Verarbeitung
(mit anderen Worten Granulation) kommen bekannte Techniken in Betracht, die bei
Nahrungsmittel-, Futter- und Enzymformulierungsverfahren häufig zur Anwendung
kommen. Dies umfaßt beispielsweise Expandieren, Extrudieren, Sphäronisieren,
Pelletieren, Granulieren unter hochscherenden Bedingungen, Trommelgranulieren, Wirbelschichtagglomerieren
oder eine Kombination davon. Diese Verfahren sind in der Regel durch einen Eintrag
von mechanischer Energie, wie dem Antrieb einer Schnecke oder der Drehung eines
Mischmechanismus, dem Druck eines Rollmechanismus einer Pelletiervorrichtung, der
Bewegung von Teilchen durch eine sich drehende Bodenplatte eines Wirbelschichtagglomerators
oder der Bewegung von Teilchen durch einen Gasstrom oder einer Kombination davon,
gekennzeichnet. Mit diesen Verfahren kann der feste Träger (z.B. in Form eines
Pulvers) mit dem Enzym und dem Wasser, beispielsweise einer enzymhaltigen Flüssigkeit
(einer wäßrigen Lösung oder Aufschlämmung) vermischt und danach
granuliert werden.
Alternativ dazu kann man den festen Träger mit dem Enzym (z.B.
in Pulverform) vermischen und dann Wasser, wie eine Flüssigkeit (oder Aufschlämmung),
zusetzen (die als Granulierflüssigkeit dienen kann).
Nach noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird das
Granulat (z.B. ein Agglomerat) durch Aufsprühen oder Auftragen der enzymhaltigen
Flüssigkeit auf den Träger hergestellt, wie in einem Wirbelschichtagglomerator.
Hier können die erhaltenen Granulatkörner ein Agglomerat enthalten, wie
es in einem Wirbelschichtagglomerator hergestellt werden kann.
Vorzugsweise umfaßt das Mischen der enzymhaltigen Flüssigkeit
mit dem festen Träger auch das Kneten der Mischung. Dadurch kann die Plastizität
der Mischung zwecks leichterer Granulation (z.B. Extrusion) verbessert werden.
Wird das Granulat durch Extrudieren hergestellt, so führt man
die Extrusion vorzugsweise bei niedrigem Druck durch. Dies kann den Vorteil bieten,
daß die Temperatur der extrudierten Mischung nicht oder nur leicht ansteigt.
Zur Extrusion bei Niederdruck gehört beispielsweise die Extrusion in einem
Fuji-Paudal-Korbextruder oder einer Fuji-Paudal-Kuppelstrangpresse. Vorzugsweise
führt die Extrusion nicht zu einem Anstieg der Temperatur des extrudierten
Materials auf über 40°C. Bei der Extrusion können an sich schon Granulatkörner
anfallen (die Granulatkörner können nach Durchgang durch eine Düse
abbrechen), oder man kann eine Schneidvorrichtung einsetzen.
Die Granulatkörner weisen einen Wassergehalt von 30 bis 40%,
wie von 33 bis 37%, auf. Der Enzymgehalt liegt zweckmäßigerweise bei 3
bis 15%, wie 5 bis 12% (z.B. mindestens 50.000 ppm).
Die erhaltenen Granulatkörner können abgerundet (z.B. sphäronisiert),
wie in einem Sphäronisator, z.B. einer MARUMERISERTM-Maschine, und/oder
verdichtet werden. Die Granulatkörner können vor dem Trocknen sphäronisiert
werden, da dadurch die Staubbildung im fertigen Granulat verringert und/oder eine
Beschichtung des Granulats erleichtert werden kann.
Die Granulatkörner können dann getrocknet werden, wie in
einem Wirbelschichttrockner, oder im Fall der Wirbelschichtagglomeration sofort
zu (festen trockenen) Granulaten getrocknet werden (im Agglomerator). Der Fachmann
kann sich auch anderer bekannter Verfahren zur Trocknung von Granulatkörnern
in der Nahrungsmittel-, Futtermittel- oder Enzymindustrie bedienen. Zweckmäßigerweise
ist das Granulat fließfähig.
Die Trocknung erfolgt vorzugsweise bei einer Temperatur von 25 bis
60°C, wie 30 bis 50°C. Hierbei kann das Trocknen 10 Minuten bis einige
Stunden, wie 15 bis 30 Minuten, dauern. Die erforderliche Zeitspanne hängt
natürlich von der Menge zu trocknender Granulatkörner ab, beträgt
aber als Faustregel 1 bis 2 Sekunden pro kg Granulatkörner.
Nach dem Trocknen der Granulatkörner enthält das erhaltene
Granulat vorzugsweise 3 bis 10%, wie 5 bis 9%, Wasser.
Das Granulat kann auch mit einem Überzug versehen werden, um
für zusätzliche (z.B. bevorzugte) Eigenschaften zu sorgen, wie geringen
Staubgehalt, Farbe, Schutz des Enzyms gegenüber der Umgebung, verschiedene
Enzymaktivitäten in einem Granulat oder eine Kombination davon. Die Granulatkörner
können ferner mit einem Fett, einem Wachs, einem Polymer, einem Salz und/oder
einer Salbe oder einem Überzug (z.B. einer Flüssigkeit) mit einem (zweiten)
Enzym oder einer Kombination davon beschichtet werden. Es versteht sich, daß
gewünschtenfalls einige Schichten (verschiedener) Überzüge aufgebracht
werden können. Zum Aufbringen des Überzugs bzw. der Überzüge
auf die Granulate steht eine Reihe von bekannten Verfahren zur Verfügung, u.a.
die Verwendung einer Wirbelschicht, eines hochscherenden Granulators, eines Mischgranulators
oder eines Nauta-Mischers.
Nach anderen Ausführungsformen kann man in das Granulat zusätzliche
Bestandteile einarbeiten, z.B. als Verarbeitungshilfsmittel und/oder zur weiteren
Verbesserung der Pelletierungsstabilität und/oder der Lagerstabilität
des Granulats. Eine Reihe derartiger bevorzugter Zusatzstoffe wird im folgenden
besprochen.
In das Granulat können Salze eingearbeitet werden (z.B. mit dem
festen Träger oder dem Wasser). Vorzugsweise kann man ein oder mehrere anorganische
Salze zusetzen (wie in der EP-A-0,758,018 vorgeschlagen), was die Verarbeitungs-
und Lagerstabilität der trockenen Enzymzubereitung verbessern kann. Bevorzugte
anorganische Salze sind wasserlöslich. Sie können ein zweiwertiges Kation,
wie Zink (insbesondere), Magnesium und Calcium, enthalten. Als Anion ist Sulfat
ganz besonders bevorzugt, obwohl auch andere Anionen, die zu Wasserlöslichkeit
führen, in Betracht kommen. Die Salze können in fester Form zugegeben
werden (z.B. zu der Mischung). Alternativ dazu kann man das Salz bzw. die Salze
vor dem Mischen mit dem festen Träger in dem Wasser oder der enzymhaltigen
Flüssigkeit lösen. Zweckmäßigerweise wird das Salz in einer
Menge von mindestens 15 Gew.-% (bezogen auf das Enzym), wie mindestens 30%, bereitgestellt.
Sie kann jedoch bis zu mindestens 60 Gew.-% oder sogar 70 Gew.-% (wiederum bezogen
auf das Enzym) betragen. Diese Mengen können entweder für die Granulatkörner
oder für das Granulat gelten. Das Granulat kann daher weniger als 12 Gew.-%
des Salzes enthalten, beispielsweise 2,5 bis 7,5%, z.B. 4 bis 6%.
Wenn das Salz in dem Wasser bereitgestellt wird, dann kann es in einer
Menge von 5 bis 30 Gew.-%, wie 15 bis 25%, vorliegen.
Eine weitere Verbesserung der Pelletierungsstabilität ergibt
sich möglicherweise durch Einarbeitung von hydrophoben, gelbildenden oder sich
(z.B. in Wasser) langsam auflösenden Verbindungen. Diese können in einer
Menge von 1 bis 10 Gew.-%, wie 2 bis 8 Gew.-% und vorzugsweise 4 bis 6 Gew.-% (bezogen
auf das Gewicht an Wasser und festen Trägerbestandteilen) bereitgestellt werden.
Beispiele für geeignete Substanzen sind derivatisierte Cellulosen, wie HPMC
(Hydroxypropylmethylcellulose), CMC (Carboxymethylcellulose), HEC (Hydroxyethylcellulose),
Polyvinylakohole (PVA) und/oder genießbare Öle. Genießbare Öle,
wie Sojaöl oder Canolaöl, können als Verarbeitungshilfsmittel zugegeben
werden (z.B. zu der zu granulierenden Mischung), wenngleich es häufig bevorzugt
sein wird, daß das Granulat keine hydrophoben Substanzen (z.B. Palmöl)
enthält.
Vorzugsweise haben die Granulatkörner eine verhältnismäßig
enge Größenverteilung (d.h. sie sind monodispers). Hierdurch kann eine
homogene Verteilung des Enzyms in den Granulatkörnern und/oder des Enzymgranulats
in dem Tierfutter erleichert werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
fallen im allgemeinen Granulate mit enger Größenverteilung an. Gegebenenfalls
kann man jedoch einen zusätzlichen Schritt zur weiteren Verengung der Größenverteilung
der Granulatkörner, wie Sieben, in das Verfahren aufnehmen. Die Größenverteilung
des Granulats liegt zweckmäßigerweise zwischen 100 &mgr;m und 2000 &mgr;m,
vorzugsweise zwischen 200 um und 1800 &mgr;m und im Optimalfall zwischen 300 &mgr;m
und 1600 &mgr;m. Die Granulatkörner können unregelmäßig (aber
vorzugsweise regelmäßig) geformt sein, beispielsweise ungefähr kugelförmig.
Das Wasser oder die enzymhaltige Flüssigkeit kann ein oder mehrere
Enzyme enthalten, die in der Regel mikrobiellen Ursprungs sind, z.B. aus einer mikrobiellen
Fermentation erhalten werden. In der Regel liegt das Enzym in aktiver Form vor (es
kann beispielsweise katalytisch oder physiologisch aktiv sein). Vorzugsweise liegt
die Flüssigkeit in konzentierter Form, wie ein Ultrafiltrat (UF), vor, was
möglicherweise die Herstellung eines Granulats mit einem gewünschten Aktivitätsniveau
gestattet.
Geeignete Enzyme sind in Tierfutter, das Haustierfutter einschließt,
einzuarbeitende Futterenzyme. Das erfindungsgemäße Granulat enthält
eine Phosphatase. Diese Enzyme dienen oft zur Verbesserung der Futterverwertung,
z.B. durch Verringerung der Viskosität oder durch Verringerung des antinutritiven
Effekts bestimmter Futterverbindungen. Futterenzyme (wie Phytase) verringern die
Menge umweltschädlicher Verbindungen im Dung. Enzyme für diese Zwecke
sind: Phosphatasen wie Phytasen (sowohl 3-Phytasen als auch 6-Phytasen) und/oder
saure Phosphatasen; Carbohydrasen, wie amylolytische Enzyme und/oder pflanzenzellwandabbauende
Enzyme einschließlich Cellulasen wie &bgr;-Glucanasen, Hemicellulosen wie
Xylanasen oder Galactanasen; Peptidasen; Galactosidasen, Pektinasen, Esterasen;
Proteasen, vorzugsweise mit neutralem und/oder saurem pH-Optimum; und Lipasen, vorzugsweise
Phospholipasen wie die Säugetierpankreas-Phospholipasen A2.
Vorzugsweise schließt das Enzym keine stärkeabbauenden Enzyme
(beispielsweise Amylasen) ein. Bei einigen Ausführungsformen können Proteasen
ausgeschlossen sein, da sie bei Einnahme schädlich sein können.
Mit einer Phosphatase, wie einer Phytase, weist das fertige Granulat
vorzugsweise eine Aktivität von 5.000 bis 10.000 FTU/g, wie 6.000 bis 8.000
FTU/g auf. Wenn es sich bei dem Enzym um ein pfanzenzellwandabbauendes Enzym, beispielsweise
eine Cellulase und insbesondere eine Hemicellulase wie Xylanase, handelt, kann das
fertige Granulat eine Enzymaktivität im Bereich von 3.000 bis 100.000 EXU/g,
vorzugsweise 5.000 bis 80.000 EXU/g und im Optimalfall 8.000 bis 70.000 EXU/g aufweisen.
Wenn es sich bei dem Enzym um eine Cellulase, wie &bgr;-Gluconase, handelt, kann
das fertige Granulat eine Enzymaktivität im Bereich von 500 bis 15.000 BGU/g,
vorzugsweise 1.000 bis 10.000 BGU/g und im Optimalfall 1.500 bis 7.000 BGU/g aufweisen.
Die Granulatkörner können 5 bis 20%, z.B. 7 bis 15%, des
Enzyms bzw. der Enzyme enthalten. Das Enzym bzw. die Enzyme kann bzw. können
natürlich vorkommen oder rekombinant sein.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf diese Enzyme angewandt
werden, sondern gleichermaßen auch auf Polypeptide mit anderen biologischen
Wirkungen, wie antigene Determinanten, beispielsweise diejenigen, die als Impfstoffe
Verwendung finden, und/oder Polypeptide mit einem künstlich erhöhten Gehalt
an essentiellen Aminosäuren, deren biologische Wirkung gegenüber thermischer
Inaktivierung empfindlich sein kann, und der Begriff „Enzym" ist im Rahmen
der vorliegenden Erfindung entsprechend zu verstehen.
Bei einem bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren geht man
daher so vor, daß man:
- a. das Wasser, die Phosphatase und den festen Träger, der mindestens 30
Gew.-% Stärke enthält, vermischt, beispielsweise den festen Träger
mit einer wäßrigen enyzmhaltigen Flüssigkeit vermischt;
- b. die erhaltene Mischung gegebenenfalls knetet;
- c. die Mischung granuliert, beispielsweise durch mechanische Verarbeitung, wobei
man enzymhaltige Granulatkörner erhält, beispielsweise durch Verwendung
eines Granulators oder durch Extrusion;
- d. die Granulatkörner gegebenenfalls sphäronisiert;
- e. die erhaltenen Granulatkörner trocknet, wobei man ein enzymhaltiges
Granulat erhält.
Während des gesamten Verfahrens zielt man darauf ab, die Maximaltemperatur,
der das Enzym bzw. die Enzyme ausgesetzt ist bzw. sind, unter 80°C zu halten.
Die erfindungsgemäßen Granulate eignen sich zur Verwendung
bei der Herstellung von Tierfutter. Bei derartigen Verfahren wird das Granulat entweder
als solches oder als Teil einer Vormischung mit Futtersubstanzen vermischt. Aufgrund
ihrer Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Granulate als Komponente
einer Mischung verwendet werden, welche als Tierfutter gut geeignet ist, insbesondere
wenn die Mischung mit Dampf behandelt und danach pelletiert wird. Die getrockneten
Granulatkörner können in derartigen Pellets sichtbar oder erkennbar sein.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft somit ein Verfahren
zur Herstellung eines Tierfutters oder einer Vormischung oder Vorstufe für
ein Tierfutter, bei dem man ein Granulat gemäß dem zweiten Aspekt mit
einer oder mehreren Tierfuttersubstanzen (z.B. Samen) bzw. einem oder mehreren Tierfutterbestandteilen
vermischt. Diese kann dann sterilisiert werden, z.B. durch Wärmebehandlung.
Die erhaltene Zusammensetzung wird dann zweckmäßigerweise zu Pellets verarbeitet.
Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft eine ein Granulat gemäß
dem zweiten Aspekt enthaltende Zusammensetzung, bei der es sich vorzugsweise um
eine genießbare Futterzusammensetzung, wie ein Tierfutter, handelt. Diese Zusammensetzung
liegt vorzugsweise in Form von Pellets vor (es können 1–5 getrocknete
Granulatkörner, z.B. 2–4 Granulatkörner, pro Pellet vorliegen).
Die Zusammensetzung kann einen Wassergehalt von 10 bis 20%, z.B. 12–15%,
aufweisen. Die Menge an Enzym(en) beträgt zweckmäßigerweise 0,0005
bis 0,0012%, wie mindestens 5 ppm.
Ein fünfter Aspekt betrifft ein Verfahren zur Förderung
des Wachstums eines Tiers, bei dem man an das Tier eine Nahrung verfüttert,
die ein Granulat gemäß dem zweiten Aspekt oder eine Zusammensetzung gemäß
dem vierten Aspekt enthält. Hierbei kann die Tiernahrung entweder das Granulat
selbst oder das in einem Futter vorliegende Granulat enthalten.
Die Zusammensetzung enthält zweckmäßigerweise 0,05
bis 2,0 FTU/g, wie 0,3 bis 1,0 FTU/g, und im Optimalfall 0,4 bis 0,6 FTU/g einer
Phosphatase, z.B. einer Phytase. Eine Xylanase kann in einer Aktivität von
0,5 bis 50 EXU/g, z.B. 1 bis 40 EXU/G, vorliegen. Alternativ dazu oder daneben kann
eine Cellulase in einer Aktivität von 0,1 bis 1,0 BGU/g, z.B. 0,2 bis 0,4 BGU/g,
vorliegen.
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung
des Granulats gemäß dem zweiten Aspekt in einem Tierfutter oder als Komponente
eines Tierfutters oder zur Verwendung bei der Tierernährung.
Geeignete Tiere sind u.a. Nutztiere (Schweine, Geflügel, Vieh),
Nicht-Wiederkäuer bzw. monogastrische Tiere (Schweine, Geflügel, Meerestiere
wie Fisch), Wiederkäuer (bovin oder ovin, z.B. Kühe, Schafe, Ziegen, Rotwild,
Kälber, Lämmer). Zu Geflügel gehören u.a. Hühner und Truthähne.
Bevorzugte Merkmale und Kennzeichen eines Aspekts der Erfindung gelten
sinngemäß gleichermaßen für einen anderen.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung lediglich erläutern
und sind in keiner Weise als Einschränkung zu verstehen.
BEISPIELE
Allgemeine Materialien und Methoden
Extrusionstests wurden auf einem Fuji-Paudal-Korbextruder DG-L1 mit
Sieböffnungen von 1,0 mm, einer Siebdicke von 1,2 mm, einer Arbeitsgeschwindigkeit
von 70 U/min und einem Strom von 0,6–2,0 A durchgeführt.
Bei dem Sphäronisator handelte es sich um einen Fuji-Paudal-Marumerizer
QJ-400 mit einem Chargenvolumen von 3 Litern, einer Plattenteilung von 3 mm, einer
Verweilzeit von 45–200 Sekunden und einer Rotationsgeschwindigkeit von 750
U/min.
Die Hochschergranulationstests wurden auf einem Lödige-Hochschergranulator
FM20 mit einer Schneidwerkgeschwindigkeit von 1500 U/min und einer Pflugscharengeschwindigkeit
von 100 U/min durchgeführt. Pulver wurde in den Granulator gegeben und von
oben mit der enzymhaltigen Flüssigkeit besprüht. Die erhaltenen Granulate
wurden in einem Wirbelschichttrockner getrocknet.
Es wurden die folgenden Enzymlösungen verwendet:
- – ein Ultrafiltrat einer aus Aspergillus gewonnenen Phytase mit einer
Aktivität von 16.840 FTU/g und einem Feststoffgehalt von 22,4 Gew.-% (Beispiele
1 bis 7).
- – ein Ultrafiltrat, enthaltend ein aus Trichoderma gewonnenes Gemisch
von Endo-Xylanase- und &bgr;-Glucanase-Aktivitäten von 12.680 EXU/g und BGU/g
und einem Feststoffgehalt von 20,6 Gew.-% (Beispiel 8).
Die Phytaseaktivität wurde gemäß der Vorschrift „ISL-method
61696" (manueller Vanadatassay) bestimmt. Die &bgr;-Glucanase-Aktivität wurde
gemäß der Vorschrift „ISL-method 62170" (manueller viskosimetrischer
Assay) bestimmt. Die Endo-Xylanase-Aktivität wurde gemäß der Vorschrift
„ISL-method 62169" (manueller viskosimetrischer Assay) bestimmt. ISL-Methoden
sind auf Anfrage von Gist-brocades, Food Specialties, Agri Ingredients Group, Wateringseweg
1, P.O. Box 1, 2600 MA, Delft, Niederlande, erhältlich.
BEISPIEL 1
Herstellung von maisstärkebasiertem Enzymgranulat durch Kneten, Extrusion,
Sphäronisation und Trocknen
Durch Mischen und Kneten einer Mischung von 60 Gew.-% Maisstärke
mit 40 Gew.-% eines Phytase enthaltenden Ultrafiltrats wurde eine Enzymzubereitung
erhalten. Diese Mischung wurde auf dem Fuji-Paudal-Korbextruder zu einem feuchten
Extrudat extrudiert, welches dann in dem MARUMERISERTM eine Minute sphäronisiert
wurde, was runde Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 780 &mgr;m
ergab. Diese Teilchen wurden dann in einem Wirbelschichttrockner 20 Minuten bei
einer Schichttemperatur von 40°C und einer Einlafltemperatur von 75°C
getrocknet. In 18 Minuten wurden ungefähr 500 kg der Granulatkörner getrocknet.
Das so erhaltene trockene Enzymgranulat besaß eine Aktivität von 6.980
FTU/g.
BEISPIEL 2
Herstellung eines maisstärkebasierten Enzymgranulats durch Hochschergranulation
und Trocknen
Das Phytase-Ultrafiltrat und die Maisstärke wurden in einem Batch-Hochschergranulator
vom Lödige-Typ mit einer Chargengröße von 20 Liter vermischt. Der
Granulator wurde mit 60 Gew.-% Maisstärke gefüllt, und während des
Mischvorgangs wurden 40 Gew.-% Ultrafiltrat in den Mischer gesprüht. Nach Zugabe
des Ultrafiltrats (10 Minuten) wurde noch 5 Minuten im Granulator nachgemischt,
damit die Teilchen geformt und kompaktiert werden konnten. Die so erhaltenen Granulatkörner
wurden wie in Beispiel 1 in einem Wirbelschichttrockner getrocknet. Das erhaltene
Granulat besaß eine Aktivität von 7.420 FTU/g. Der Mediandurchmesser der
Teilchen betrug 480 &mgr;m.
BEISPIEL 3
Herstellung eines maisstärkebasierten Enzymgranulats durch Mischen,
Pelletieren und Trocknen
Es wurde eine Mischung von 40 Gew.-% des Phytase-Ultrafiltrats und
60 Gew.-% Maisstärke hergestellt. Die Mischung wurde auf einer Schlütter-Presse
der Bauart PP85 pelletiert, wobei die Extrudate durch rotierende Messer am Extruderkopf
mit einer Düsenplatte mit Löchern mit einem Durchmesser von 1 mm abgeschnitten
wurden. Die Pellets wurden wie in Beispiel 1 getrocknet, was ein Endprodukt mit
einer Aktivität von 7.460 FTU/g ergab. Der Mediandurchmesser der Teilchen betrug
1080 &mgr;m.
BEISPIEL 4
Herstellung eines kartoffelstärkebasierten Enzymgranulats mit Sojaöl-
und MgSO4-Zusätzen durch Mischen, Kneten, Pelletieren und Trocknen
In einem Mischer/Kneter wurden 30 kg Kartoffelstärke vorgelegt
und 2,5 kg Sojaöl eingemischt. Danach wurde das Phytase-Ultrafiltrat mit MgSO4·7H2O
(in 14 kg Ultrafiltrat wurden 3, 5 kg MgSO4·7H2O gelöst)
zugegeben. Das Produkt wurde im Kneter gründlich vermischt und dann wie in
Beispiel 1 extrudiert und in einem Wirbelschichttrockner getrocknet. Dies ergab
ein Produkt mit einer Aktivität von 5.870 FTU/g.
BEISPIEL 5
Herstellung eines reisstärkebasierten Enzymgranulats durch Mischen,
Kneten, Extrusion, Sphäronisation und Trocknen
Durch Mischen und Kneten von 62 Gew.-% Reisstärke und 38 Gew.-%
des Phytase-Ultrafiltrats wurde eine Mischung hergestellt. Diese Mischung wurde
auf dem Fuji-Paudal-Korbextruder zu einem feuchten Extrudat extrudiert, welches
dann in dem MARUMERISERTM eine Minute sphäronisiert wurde, was runde
Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 785 &mgr;m ergab. Diese
Teilchen wurden dann wie in Beispiel 1 in einem Wirbelschichttrockner getrocknet.
Die Endaktivität des Granulats betrug 7.280 FTU/g.
BEISPIEL 6
Herstellung eines maisstärkebasierten Enzymgranulats mit HPMC-Zusatz
durch Mischen, Kneten, Extrusion, Sphäronisation und Trocknen
Durch Kneten einer Mischung von 54 Gew.-% Maisstärke, 5 Gew.-%
HPMC (Hydroxypropylmethylcellulose) und 41 Gew.% eines Phytase-Ultrafiltrats wurde
eine Enzymzubereitung erhalten. Diese Mischung wurde auf dem Fuji-Paudal-Korbextruder
zu einem feuchten Extrudat extrudiert, welches dann in dem MARUMERISERTM
eine Minute sphäronisiert wurde, was runde Teilchen mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von 780 &mgr;m ergab. Diese Teilchen wurden dann in einem Wirbelschichttrockner
20 Minuten bei einer Schichttemperatur von 40°C und einer Einlaßtemperatur
von 75°C getrocknet. Das so erhaltene trockene Enzymgranulat besaß eine
Aktivität von 8.470 FTU/g.
BEISPIEL 7
Herstellung eines maisstärkebasierten Enzymgranulats mit HEC-Zusatz
durch Mischen, Kneten, Extrusion, Sphäronisation und Trocknen
Durch Mischen und Kneten einer Mischung von 54 Gew.-% Maisstärke,
5 Gew.-% HEC (Hydroxyethylcellulose) mit 41 Gew.-% des Phytase-Ultrafiltrats wurde
eine Enzymzubereitung erhalten. Diese Mischung wurde auf dem Fuji-Paudal-Korbextruder
zu einem feuchten Extrudat extrudiert, welches dann in dem MARUMERISERTM
eine Minute sphäronisiert wurde, was runde Teilchen mit einem durchschnittlichen
Durchmesser von 780 &mgr;m ergab. Diese Teilchen wurden dann in einem Wirbelschichttrockner
20 Minuten bei einer Schichttemperatur von 40°C und einer Einlaßtemperatur
von 75°C getrocknet. Das so erhaltene trockene Enzymgranulat besaß eine
Aktivität von 8.410 FTU/g.
BEISPIEL 8 (nur zur Erläuterung)
Herstellung eines maisstärkebasierten Enzymgranulats durch
Hochschergranulation und Trocknen
In einem Batch-Hochschergranulator vom Lödige-Typ mit einer Chargengröße
von 20 Liter wurden 60 Gew.-% Maisstärke mit 40 Gew.-% des Endo-Xylanase und
&bgr;-Glucanase enthaltenden Ultrafiltrats folgendermaßen vermischt. Der
Granulator wurde mit Maisstärke gefüllt, und während des Mischvorgangs
wurde das Ultrafiltrat in den Mischer gesprüht. Nach Zugabe des Ultrafiltrats
(10 Minuten) wurde der Granulator noch weitere 5 Minuten betrieben, damit die Teilchen
geformt und kompaktiert werden konnten. Die so erhaltenen Granulatkörner wurden
wie in Beispiel 1 in einem Wirbelschichttrockner getrocknet. Das erhaltene Granulat
besaß eine Aktivität von 13.100 EXU/g und 5.360 BGU/g.
BEISPIEL 9
Vergleich der Pelletierungsstabilitäten
Die verschiedenen erfindungsgemäßen Enzymgranulate wurden
einem Pelletierungsversuch unterworfen, und ihre Pelletierungsstabilität wurde
mit denjenigen der Futterenzym-Standardformulierungen verglichen. Bei dem Pelletierungsversuch
wurde das Enzym (Granulat) bei 1000 U/min mit einer Futtervormischung vermischt.
Diese Mischung wurde durch Dampfinjektion behandelt, wobei die Temperatur auf 70°C
anstieg, und dann in einer Pelletiermaschine pelletiert, wonach die erhaltenen Futterpellets
getrocknet wurden. Diese Art von Verfahren ist in der Futterindustrie zur Herstellung
von Futterpellets üblich.
Bei NATUPHOSTM, einer als Standard zum Vergleich verwendeten
Phytase enthaltenden Formulierung, handelte es sich um eine Mischung von Weizengrießkleie
mit sprühgetrocknetem Ultrafiltrat.
Bei NATUGRAINTM, einer &bgr;-Glucanase und Endo-Xylanase
enthaltenden Enzymzubereitung, handelt es sich um ein in der Wirbelschicht hergestelltes
Granulat, das durch Beschichten eines Salzkerns mit einer Enzymschicht, die durch
Besprühen des Kerns mit einem Ultrafiltrat aufgebracht wird, hergestellt wird.
Die Ergebnisse der Pelletierungsversuche sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die unter Verwendung eines Kohlenhydrat-Trägers
hergestellten Granulate im Vergleich mit Standardformulierungen verbesserte Pelletierungsausbeuten
ergaben.
Aus Tabelle 1 ist klar ersichtlich, daß die Art der Granulationsmethode,
d.h. der mechanischen Verarbeitung, für die durch die Erfindung zu lösenden
Probleme nicht kritisch ist. Formulierungen mit dem Kohlenhydratpolymer lieferten
eine viel bessere Pelletierungsstabilität als die bekannten NATUPHOSTM-
und NATUGRAINTM-Formulierungen.