GPF Gelatine Herstellungsverfahren

Ausgansmaterial Kollagen

Die Bildung des (unlöslichen) Bindegewebskollagens kann in drei Stufen unterteilt werden. Zuerst erfolgt nach der Bildung des sogenannten Tropokollagen-Moleküls in der Zelle und dessen Abgabe in den intrazellulären Raum der Übergang vom neutralsalzlöslichen Tropokollagen über das noch säurelösliche Prokollagen zum durch weiteres Altern unlöslichen Bindegewebs-Kollagen.

Zur Gelatinegewinnung wird nun das unlösliche Kollagen soweit hydrolysiert, dass es wieder in einer wasserlöslichen Form mit optimalen physikalischen Eigenschaften vorliegt.

Vorbehandlung

Die Rostoffe zur Herstellung von Gelatine kommen bei rennomierten Herstellern ausschliesslich aus Schlachthäusern, die zertifiziert und veterinärärztlich überwacht sind. So ist sichergestellt, daß nur zum menschlichen Verzehr geeignetes Material eigesetzt wird. Nach intensiver Reinigung des Rohmaterials werden je nach Rohstoff unterschiedliche Verfahren angewandt, um das zunächst wasserunlösliche (Binde)Gewebe so zu lockern (durch Aufbrechen von Bindungen), dass es in heißem Wasser löslich wird.

Zwei Aufschlußverfahren werden bei der Herstellung von Gelatine unterschieden:

Alkalisches Aufschlußverfahren (ergibt Gelatine vom Typ B):

Die Gewebsstruktur von (Rinder)Knochen (sowie Rinderspalt - Unterhaut des Rindes-) lässt sich nur durch längere Behandlung mit Kalkmilch schonend aufschließen (wasserlöslich machen).

Mazeration der Knochen

Die Knochen müssen zunächst aber von ihren mineralischen Bestandteilen befreit werden. Durch Einwirkung einer Säure - im allgemeinen Salzsäure - werden die sonst unlöslichen Calciumphosphate und -carbonate herausgelöst. Der Prozess, auch Mazeration genannt, wird dabei so geführt, dass der organische Teil des Knochens, das Ossein, nicht angegriffen wird. Als Reaktionsgefäße dienen immer noch große Holzkessel, da diese weniger von den Säuren angegriffen werden. Die Mazerierungstemperatur soll nicht über 25°C steigen. Die Mazeration verläuft exotherm und lässt sich durch folgende Reaktionsgleichungen systematisch darstellen:

Ca₃ (P0₄)₂ + 4 HCl ---> Ca(H₂P0₄)₂ + 2 CaCl₂ + Q

(Mg, Ca)CO₃ + 2 HCl ---> Mg, CaCl₂ + H₂0 + CO₂ + Q

Tricalciumphosphat geht in Lösung unter Bildung von Calciumdihydrogenphosphat. Nach Beendigung der Mazerierung ist das Ossein glasig gequollen, es ist elastisch und hat noch die ursprüngliche Form des Knochens. Wichtig ist beim Aufschluss die Säurekonzentration. Am günstigsten ist eine Salzsäure mit 5 bis 6° Bé, deren Dichte während der Mazeration nicht über 13° Bé durch die Aufnahme von Phosphorsäure und Calciumdihydrogenphosphat ansteigen soll. Es könnte sonst eine Verfestigung des gesamten Knochenmaterials, auch Betonierung genannt, eintreten. Das gelöste Calciumdihydrogenphosphat reagiert dabei wieder mit dem noch ungelösten Calciumphosphat zu Calciumhydrogenphosphat, das sich niederschlägt und die Knochen miteinander verkittet (betoniert):

Ca(H₂PO₄)₂ + Ca₃(P0₄)₂ ---> 4 CaHP0₄

Ca(H₂PO₄)₂ + CaCO ---> 4 CaHP0₄ + 3 H₂O + CO₂

Das kalkalkalische Verfahren

Häute bzw. das wie oben beschrieben erhaltene Ossein wird beim klassische kalkalkalische Zweistufen-Verfahren in der ersten Stufe durch Zusatz von Kalkmilch einem mehrwöchigem Äscherungsprozess unterworfen. Dabei werden sowohl sequentielle Peptidbindungen als auch Quervernetzungen zwischen den einzelnen Polypeptidketten partiell aufgespalten. An den Quervernetzungen sind Esterbindungen beteiligt, außerdem werden auch amidartige Querverbindungen, an denen ε-Amino- und auch δ-Guanidinogruppen beteiligt sind, angenommen. Der größte Teil davon ist zwischen den einzelnen Tropokollagen-Molekülen anzutreffen, der Rest als intramolekulare Brückenglieder zwischen den Tropokollagen-Untereinheiten. Auch die meisten Säureamidgruppen der Glutamin- und Asparaginsäure werden unter Ammoniak-Abspaltung verseift. Die Äscherzeit dauert durchschnittlich zwei bis drei Monate, wobei die Kalkmilch meist zwei- bis dreimal erneuert wird. Zur Fabrikation einer einwandfreien Photoemulsionsgelatine ist ein mehrmaliges Erneuern unerlässlich.

Zusammensetzung der Knochen (Durchschnittswerte).

Mineralische Bestandteile:

löslich in H₂O	1,25 %
unlöslich in heißem H₂O	69,66 %

Diese 70,91 % mineralische Bestandteile setzen sich zusammen aus:

Calciumphosphat	85,0 %
Calciumcarbonat	10,0 %
Magnesiumphosphat	1,5 %
Calciumfluorid	0,3 %
Calciumchlorid	0,2 %
Alkalisalze	2,0 %
Kollagengehalt (Ossein)	18,64 %
Mucopolysaccarid	0,24 %
Eiweißstoffe, beständig gegen heißes H₂O	1,02 %
Wasser (Gewichtsverlust bei 105^o C)	8,18 %

Tabelle 1

Die Äscherungstemperatur wird im allgemeinen zwischen 5 und 15° C gehalten. Jedoch stellt sich die Hydrolysenintensität durch eine spezielle Eigenschaft des Kalkes von selbst ein. Die geringe Löslichkeit des Kalkes nimmt mit der Temperaturerhöhung noch weiter ab, z.B. löst 1 Liter Wasser bei O° C 1,31 g CaO, bei 20° C 1,203 g CaO. Damit tritt eine Art Selbsteinstellung des Gehaltes an gelöstem Kalk ein, welche teilweise die Vergrößerung der Kollagenhydrolyse mit der Temperatur kompensiert. Die Sudreife wird in der Praxis im allgemeinen durch standardisierte Probeverkochungen ermittelt. Ein Hautmaterial oder das Ossein ist dann ausreichend geäschert, wenn es bei 60°C, einem Sud-ph 6 und einer Extraktionsdauer von fünf Stunden eine Gelatineausbeute von rd. 75 % ergibt. Zur Ermittlung der Sudreife können ebenso die Bestimmung des Gesamt- wie auch die des Amidstickstoffs herangezogen werden. Der Gesamtstickstoff nimmt mit zunehmender Äscherdauer ab und vermindert sich um 1 bis 2 %. absolut. Der Amidstickstoff verringert sich von 0,4 bis 0,5 % auf 0,12 bis 0,14 %. Th. Altenschöpfer konnte ermitteln, dass der Endwert der Verkochbarkeit (75 % Gelatineausbeute) mit dem Zeitpunkt des für die Sudreife kennzeichnenden Amid-N-Wertes (0,12-0,14 %) zusammenfällt.

Nach Beendigung des Äscherns wird das Material gewaschen, zur Beseitigung des restlichen Kalkes angesäuert, säurefrei gewaschen und auf den gewünschte Sud-pH eingestellt. Danach beginnt die zweite Stufe des kalkalkalischen Aufbereitungsverfahrens. Durch Verkochen in einer leicht angesäuerten wässerigen Lösung bei 60°C setzt die Lösungshydrolyse ein. Auf diese Weise wird die thermische Eiweißdenaturierung eingeleitet, die das Wasserstoffbindungssystem als wichtigsten Stabilisierungsfaktor der Kollagenstruktur aufhebt. Die Lösungshydrolyse soll möglichst milde durchgeführt werden, so dass ein weiterer Abbau der Peptidbruchstücke vermieden wird.

Saures Aufschlussverfahren (ergibt Gelatine vom Typ A):

Die Rohstoffe (Schweineschwarten, Schweineknochen, Geflügelknochen, Rinderknochen) werden bei diesem Verfahren einige Tage mit Säure behandelt (z.B. Schwefelsäure), wobei diese mehrmals erneuert wird, und anschließend die Gelatine mit heißem bis siedendem Wasser extrahiert.

Das einstufige saure Verfahren das dem zweiten Schritt im kalkalkalischen Prozess entspricht wird vorwiegend zum Aufschluss des Schweineschwartenkollagens eingesetzt. Dies hängt damit zusammen, dass die Leichtigkeit, mit der aus einem Kollagen-Gewebe die Gelatine extrahiert werden kann, weitgehend mit der Art und dem Alter des Tieres variiert. Aus den Schwarten lässt sich Gelatine allein auf Grund ihres relativ geringen Alters leichter gewinnen als aus z.B. Rinderhäuten.

Das Verkochen des vorbehandelten Kollagens ist eine diskontinuierliche Stufenextraktion. Es wird bei einer Temperatur von 60°C begonnen, die allmählich von Extraktionsstufe zu Extraktionsstufe (Boullions genannt) auf 90 bis 95°C erhöht wird. Je nach Gelatinequalität wird das Versieden bei einer Gelatinekonzentration von 3½ bis 6 % unterbrochen und die Lösung abgezogen. Auf diese Weise werden im allgemeinen vier bis fünf Abzüge durchgeführt.

Vorgänge beim Aufschluss des Kollagens

Die Säureeinwirkung leitet die topochemische Hydrolyse ein, die durch Erwärmung des Materials gesteigert wird. Mit der Erwärmung setzt die thermische Eiweißdenaturierung ein, deren Folge der starke Abbau des Kollagens zu Gelatine ist. Die Vorzüge dieses Aufschlussprozesses ist seine Kürze. Er erspart die langwierige Äscherung und damit Betriebskapital und liefert Gelatine mit sehr hoher Gallertfestigkeit und Viskosität (Bloomzahl bis zu 300 als erstarrte 6 2/3 %ige Lösung bei 10°C - Viskosität bis zu 150 mP, gemessen in 6 2/3%iger Lösung bei 60°C). Allerdings ist das pH-Intervall sehr eng begrenzt, in dem Gelatinequalitäten mit extrem guten physikalischen Daten erhalten werden. Zusammenfassend kann die Überführung des Kollagens in Gelatine in drei Reaktionen unterteilt werden.

1. K e t t e n v e r k ü r z u n g durch Spaltung von Peptidbindungen,

2. S p a l t u n g hauptvalenzmäßiger Quervernetzungen,

3. A u f l ö s u n g der Schraubenstruktur des Kollagens.

Die beiden ersten Reaktionen erfährt das Kollagen bei der Vorbehandlung sowohl durch Äscherung als auch durch Säureeinwirkung. Sie unterscheiden sich aber in ihrer Geschwindigkeit. Bei Säureeinwirkung laufen die Vorgänge 1 und 2 gleich schnell ab, bei einer Kalkbehandlung dagegen werden im Verhältnis mehr Quervernetzungen als Peptidbindungen gespalten. An Hand von systematischen Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass bei vorangegangener Kalkäscherung 17mal mehr Querverbindungen als in der Sequenz stehende Peptidbindungen gelöst werden.

Der Vorgang 3 erfolgt bei der Exraktion mit warmen Wasser, d.h. bei der thermischen Denaturierung, eigentlichen Verkochen. Nach Befunden kann gefolgert werden, dass eine kalkalkalisch aufgeschlossene Gelatine vorwiegend aus verknäuelten, einsträngigen Peptidketten besteht, zwischen denen - anders als bei sauer vorbehandelter Gelatine - die meisten Quervernetzungen gelöst sind. Bei einer sauer aufgearbeiteten Gelatine werden auf Grund ihres physikalischen Verhaltens seitlich verknüpfte Aggregate von Peptidbruchstücken angenommen, die dem Tropokollagen noch bis zu einem gewissen Grad nahestehen.

Reinigung

Die bei der Extraktion gewonnene Gelatinelösung wird anschließend von Fett und Schwebeteilchen befreit. Dies geschieht einerseits mit Seperatoren und adererseits mit Filtern, in denen Verunreinigungen zurückgehalten werden. Ionenaustauscher (Säulen, die mit Austauschharzen gefüllt sind) bilden die nächste Reinigungsstufe. Wie bei der Wasserenthärtung dienen diese bei Gelatine dazu, je nach Anforderung mehr oder weniger vollständig Calcium, Natrium, Säureresten und anderen Salzen zu entfernen.

Konzentrierung

Vakuum-Eindampfanlagen konzentrieren die Gelatinelösung schonend bis zu einer dickflüssigen, honigartigen Beschaffenheit. Diese hochviskosen Lösungen werden nochmals durch Filter geleitet, um die letzten Schwebeteilchen zu entfernen. Die hochkonzentrierten Gelatinelösungen werden anschliessend in einer Kurzzeit-Hocherhitzungsanlage (UHT) einer Sterilisation unterworfen, abgekühlt und dann gelieren lassen.

Trocknen

Der so erhaltene Gelatinegelee wird durch ein Lochsieb extrudiert und die dabei enstehenden "Gelee-Nudeln" gleichmäßig auf das Band eines Trockners verteilt. In diesem wird mit konditionierter (gefilterte, gewaschene, vorgetrocknete und entkeimte) Luft die Gelatine getrocknet. Am Ende des Trockners (bis 50 m lange Röhre) werden die auf 10-12% Wassergehalt heruntergetrockneten Gelatine-Nudeln gebrochen und gemahlen und dann im Zwischenlager bis zur weiteren Verwendung gelagert. Die einzelnen Chargen (Extraktionen) von jeweils bis zu 2.000 kg werden im Labor physikalische, chemisch und bakteriologisch geprüft und aufgrund dieser Analysen freigegeben bzw. bei Spezifikationsabweichung gegebenfalls auch gesperrt.

Mahlen, Sieben, Mischen

Um eine bestimmte Qualität zu erzielen bzw. auch größere Chargen zu bekommen, müssen meist mehrere Extraktionen gemischt werden. Anhand der Analysewerte errechnet dabei ein Computerprogramm die Anteile der einzelnen Extraktionen, die zusammengemischt werden müssen, um die vom Kunden gewünschte Kennzahlen/Qualität für diese Gelatinecharge zu erzielen. Um spezifischen Kundenanforderungen zu entsprechen, wird Gelatine in unterschiedlichen Korngrößen hergestellt, Hierzu werden je nach der gewünschten Korngöße unterschiedliche Mühlen eingesetzt bzw. auch Sieb/Windsicht-Einrichtungen, um den durch die Mahlung enstandenen, unerwünschten Feinanteil zu entfernen.

Gelatinestruktur und -eigenschaften

wichtige Kennzahlen von Gelatine

Gelierkraftverlust durch pH/Temperatur

Arzneibuchspezifikationen

Literaturübersicht (bis 1980)

Hydrokolloide in Milcherzeugnissen

Koazervation mit Gelatine