EP0056073B1 - Verfahren zur Aufbereitung von Tabak und Tabak, aufbereitet nach diesem Verfahren - Google Patents
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Classifications
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- A—HUMAN NECESSITIES
- A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
- A24B—MANUFACTURE OR PREPARATION OF TOBACCO FOR SMOKING OR CHEWING; TOBACCO; SNUFF
- A24B15/00—Chemical features or treatment of tobacco; Tobacco substitutes, e.g. in liquid form
- A24B15/18—Treatment of tobacco products or tobacco substitutes
- A24B15/20—Biochemical treatment
Definitions
- the invention relates to a process for the preparation of tobacco, in which initially insoluble protein constituents and protein subunits are broken down into soluble protein fragments by treatment with proteolytic enzymes, and then the soluble constituents are dissolved in water and the solution obtained is separated from the treated tobacco and tobacco, prepared after this procedure.
- the object of the inventive method is to achieve a processed tobacco whose content of protein components and their subunits is considerably reduced, but whose content of other soluble components is not reduced as far as possible.
- the inventive method is characterized in that microorganisms are applied to the separated solution, which can metabolically assimilate protein constituents, protein subunits and low molecular nitrogen compounds and in that the protein constituents, protein subunits and low molecular nitrogen compounds are converted into the biomass by the metabolic assimilation that the biomass is converted from the Residual solution is separated and that the solution components remaining in the residual solution are added to pretreated tobacco.
- low-molecular nitrogen compounds such as amines, ammonia, nitrate and, if present, nitrite
- the enzymatic treatment is expediently carried out in a mixture of comminuted tobacco and water in a weight ratio of 1: 3 to 1:12, preferably 1: 5.
- Comminuted, dried, green tobacco or comminuted tobacco waste can be used. If the tobacco is used in powder form, a weight ratio of tobacco to water of 1: 3 to 1: 5 is sufficient.
- the enzymatic treatment in a slurry is advantageous because it promotes an intensive action of the enzyme on the protein components and protein subunits. If, on the other hand, whole tobacco leaves or strips - that is, stripped tobacco leaves - are used, a weight ratio of tobacco to water of 1: 8 to 1 12, preferably 1: 10 is required.
- the pH value, the solution and the treatment temperature depend on the enzyme used in each case.
- the optimal treatment temperature for most enzymes is between 30 ° C (degrees Celsius) and 70 ° C.
- Many enzymes, including proteases have an optimum at 37 ° C.
- proteases that are most active at much higher temperatures, such as detergent enzymes.
- the optimal pH value for many enzymes is in the range between pH 7.0 and pH 7.5.
- the optimal pH is preferably adjusted with 1 N KOH (1 normal potassium hydroxide solution) or 85% H 3 PO 4 (phosphoric acid).
- the enzyme is preferably used at a concentration which is chosen to be such that the treatment temperature which is optimal for the active enzyme used is in the range between 30 ° C. and 70 ° C., optimum pH and with constant stirring before the enzyme 9/10 has lost its original activity, the tobacco content of insoluble proteins and protein subunits is reduced to 20 to 40% (percent), preferably 33%, of the initial value.
- the desired protein reduction is not achieved by the specified enzyme breakdown, then a higher enzyme concentration is expediently used; one reaches the desired proteinre duction before the specified enzyme degradation took place, the enzyme concentration was set unnecessarily high and can be reduced for later batches. So it is easy to find the concentration that is advantageous for the enzyme used by trying. If the enzyme concentration is found to be optimal, the protein reduction can be done less by stopping the treatment prematurely. Then the enzyme was not used.
- Suitable enzymes with proteolytic activity are known and are available on the market. From the enzymes offered in this way, preliminary selection is made of those which are known or can be assumed to be able to carry out the breakdown required here, namely to break down insoluble protein constituents and protein subunits of tobacco into soluble protein fragments. This preselection expediently limits itself to those enzymes which are provided under commercially favorable conditions. From the preselected enzymes, those enzymes are found that are particularly well suited for this process.
- the separated solution is expediently sterilized and then inoculated with a culture of microorganisms which have the ability to assimilate proteins and protein subunits and has been brought into its exponential growth phase, and with the addition of sugar on favorable living conditions with regard to energy supply, temperature, ventilation and pH for this culture was maintained until at least 95% of the dissolved protein fragments and other low-molecular nitrogen compounds were used as building materials for the cell's own protein of the microorganisms, and then the metabolic assimilation was interrupted by separating the biomass.
- Sterilization and use in the exponential growth phase ensure that the selected culture is selective and is not contaminated by other microorganisms. Stopping metabolic assimilation ensures that only the desired reactions are produced.
- Substances can be withdrawn from a first batch of tobacco and the substances to be re-added can be added to a second batch of tobacco which has previously been subjected to an appropriate extraction.
- a prepared tobacco suitable as a smoking product which is characterized by a protein content of 2 to 10, preferably 3, dry weight percent and an amadori compound content of 0.1 to 10, preferably 5.0, dry weight percent.
- the amadori compounds are those that release tobacco flavors when thermally decayed.
- Cigarettes made from such tobacco gave the analytical values given in Table 2 at the end of the description.
- aqueous phase was separated from the .strips and then the strips were washed twice with 2.5 l of water at 80 ° C. and then pressed out.
- the aqueous phase, the wash water and the liquid obtained during the squeezing out were combined to form the solution. A total of 121 solutions were found.
- the pretreated tobacco that is the pressed strips, was dried in flowing warm air to a residual moisture content of 18% (percent) and stored.
- the tobacco mixture to be prepared, the solution and the pretreated tobacco were analyzed analytically. This resulted in analytical values as given in Table 3.
- Table 3 shows that 58 dry weight percent of the proteins present in the tobacco mixture used to be processed have been broken down and breakdown products have been transferred into the solution.
- the solution prepared in this way was sterilized in an autoclave at 105 ° C. under pressure and then relieved of pressure and cooled to 30 ° C. and transferred to a 20 l fermenter.
- the 30 ° C warm, prepared solution became 600 ml (milliliters) in its exponential growth phase culture of Candida utilis NCYC 707 inoculated.
- the inoculated solution was left in the fermenter for 8 hours with aeration and stirring.
- the pH was first stabilized to pH 5.5 with KOH (potassium hydroxide) and later with citric acid.
- the proteins, amino acids, nitrates and nitrites were broken down by metabolic assimilation.
- the biomass was centrifuged off. 2.25 l of biomass with a solids content of 16%, corresponding to 360 g of anhydrous biomass, were obtained.
- the supernatant obtained by centrifugation - the so-called residual solution - contained the tobacco alkaloids in the originally present concentration, but beyond that only traces of soluble nitrogen compounds.
- the total volume of the residual solution was 9.75 l, which were kept at 20 ° C. until later use.
- the filtered off biomass was boiled with 1 1 6N hydrochloric acid under reflux in a round bottom flask for 15 hours.
- the biomass disintegrated and the proteins were destructively hydrolyzed, the amino acid tryptophan being destroyed to such an extent that it was no longer detectable analytically after the hydrolysis.
- the hydrolyzate was separated from the biomass residues by filtration, the excess hydrochloric acid escaping.
- the dry residue which consisted largely of amino acids, was mixed with 100 ml of water and the insoluble residue was filtered off. An amino acid mixture with a water content of about 50% was obtained.
- This amino acid mixture was adjusted to pH 7 with NH 4 0H (ammonium hydroxide) and 100 g of glucose were added and the mixture was boiled under reflux in a round-bottomed flask for 2 hours, the round-bottomed flask browning and amadori compounds being formed. The still hot contents of the flask were washed out with the previously obtained residual solution, so that the soluble amadori compounds passed into the residual solution.
- NH 4 0H ammonium hydroxide
- the residual solution thus obtained now enriched with amadori compounds, was sprayed onto the pretreated tobacco, i.e. the pressed strips, in a rotating flavor drum, the excess water being evaporated off by blowing in warm air during the spraying.
- the tobacco thus obtained had or had its full original aroma and contained alkaloid nitrogen, that is to say nicotine, in the original concentration.
- alkaloid nitrogen that is to say nicotine
- the content of protein nitrogen was reduced by 58% and the content of amine, ammonia and nitrate nitrogen by 90% compared to the original content in the tobacco used.
- Example 1 to 22 the Candida utilis NCYC 707 were used as microorganisms.
- Other microorganisms which have the ability to assimilate proteins and protein subunits and which can be used instead of the Candida utilis NCYC 707 are given in Table 5.
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Tabak, bei dem zunächst unlösliche Proteinbestandteile und Proteinuntereinheiten durch Behandlung mit proteolytischen Enzymen in lösliche Proteinfragmente zerlegt werden und dann die löslichen Bestandteile in Wasser gelöst werden und die gewonnene Lösung vom behandelten Tabak abgetrennt wird und Tabak, aufbereitet nach diesem Verfahren.
- Bei einem aus der US-PS 3 132 651 bekannten Verfahren, bei dem durch Enzyme der Alterungsprozeß - sogenanntes aging - beschleunigt und Nikotin entfernt werden soll, werden aus dem Tabak Proteinbestandteile zusammen mit löslichen Inhaltsstoffen des Tabaks extrahiert. Man gewinnt so einen aufbereiteten Tabak, in dem zwar die Proteinbestandteile, die dort unerwünscht sind, fehlen, der aber außerdem viele seiner löslichen Inhaltsstoffe entbehrt und damit nur noch ein kaum genießbares Tabakprodukt ist.
- Aus LU-A 64076 ist es bekannt, die Tabakfermentation durch Zugabe proteolytischer Enzyme zu beschleunigen oder zu verbessern. Proteine werden dabei zerkleinert aber nicht entfernt.
- Aus EP-A 0 024152 ist es bekannt, Nitrat, Nitrit und Ammoniumverbindungen aus einem Tabakextrakt zu entfernen. Dazu werden aber keine Enzyme eingesetzt. Da nur ein kleiner Teil der im getrockneten Tabak enthaltenen Proteine wasserlöslich ist, wird bei der anschließenden Extraktion nur dieser kleine Teil der Proteine aus dem Tabak entfernt.
- Dem erfinderischen Verfahren liegt die Aufgabe zugrunde, einen aufbereiteten Tabak zu erzielen, dessen Gehalt an Proteinbestandteilen und deren Untereinheiten erheblich reduziert ist, dessen Gehalt an übrigen löslichen Bestandteilen jedoch möglichst nicht reduziert ist.
- Das erfinderische Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß auf die abgetrennte Lösung Mikroorganismen angewendet werden, die Proteinbestandteile, Proteinuntereinheiten und niedermolekulare Stickstoffverbindungen metabolisch assimilieren können und daß die Proteinbestandteile, Proteinuntereinheiten und niedermolekularen Stickstoffverbindungen in die Biomasse durch die metabolische Assimilation überführt werden, daß die Biomasse von der Restlösung abgetrennt wird und daß die in der Restlösung verbleibenden Lösungsbestandteile vorbehandeltem Tabak zugesetzt werden.
- Durch die metabolische Assimilation gelangen die unerwünschten Proteinbestandteile und deren Untereinheiten sowie niedermolekulare Stickstoffverbindungen, wie Amine, Ammoniak, Nitrat und, falls vorhanden, Nitrit in die Biomasse, während die übrigen löslichen Bestandteile, die aus dem Tabak herausgelöst wurden, im wesentlichen in der Restlösung verbleiben und dem Tabak gegebenenfalls nach Einengung der Restlösung wieder zugesetzt werden können.
- Im grünen Tabak sind die meisten Proteinbestandteile löslich, so daß man sie ohne enzymatische Behandlung herauslösen könnte. Das empfiehlt sich aber nicht, weil dann diese Proteinbestandteile nicht mehr bei der Trocknung, dem sogenannten curing, zur Verfühgung stehen, bei der sie eine wichtige Funktion übernehmen. Beim Trocknen jedoch wird ein Großteil der ursprünglich löslichen Proteinbestandteile denaturiert zu unlöslichen Proteinuntereinheiten. Diese können dann aber nach dem erfinderischen Verfahren durch die vorgesehene enzymatische Vorbehandlung größtenteils wieder löslich gemacht werden.
- Die enzymatische Behandlung erfolgt zweckmäßig in einer Mischung aus zerkleinertem Tabak und Wasser im Gewichtsverhältnis 1 : 3 bis 1 : 12, vorzugsweise 1 : 5. Dabei kann man zerkleinerten, getrockneten, grünen Tabak oder zur Wiederaufbereitung zerkleinerte Tabakabfälle einsetzen. Wenn man den Tabak pulverisiert einsetzt, genügt ein Gewichtsverhältnis von Tabak zu Wasser von 1 : 3 bis 1 : 5. Die enzymatische Behandlung in einer Aufschlämmung ist vorteilhaft, weil dadurch eine intensive Einwirkung des Enzyms auf die Proteinbestandteile und Proteinuntereinheiten begünstigt wird. Wenn man dagegen ganze Tabakblätter oder Strips - das sind entrippte Tabakblätter - einsetzt, benötigt man ein Gewichtsverhältnis von Tabak zu Wasser von 1 :8 bis 1 12, vorzugsweise 1 : 10. Die optimalen Bedingungen bei enzymatischer Behandlung hinsichtlich des Tabak-Wasser-Verhältnisses, des pH-Wertes, der Lösung und der Behandlungstemperatur hängen von dem jeweils eingesetzten Enzym ab. Man findet sie gegebenenfalls durch Probieren. Die optimale Behandlungstemperatur bei den meisten Enzymen liegt im Bereich zwischen 30 °C (Grad Celsius) und 70 °C. Viele Enzyme, auch die Proteasen, haben ein Optimum bei 37 °C. Daneben gibt es aber auch Proteasen, die bei wesentlich höheren Temperaturen am aktivsten sind, zum Beispiel Waschmittelenzyme. Der optimale pH-Wert liegt für viele Enzyme im Bereich zwischen pH 7,0 un pH 7,5. Eine Ausnahme bilden jedoch die sauren Proteasen, zum Beispiel Pepsin, deren pH-Optimum zwischen 1,5 und 5 liegt. Der optimale pH-Wert wird vorzugsweise mit 1 N KOH (1 normale Kaliumhydroxydlösung) oder 85 %iger H3P04 (Phosphorsäure) eingestellt.
- Vorzugsweise wird das Enzym mit einer Konzentration eingesetzt, die so groß gewählt ist, daß bei für das eingesetzte, aktive Enzym optimaler Behandlungstemperatur im Bereich zwischen 30 °C und 70 °C, optimalem pH-Wert und unter ständigem Umrühren ehe das Enzym 9/10 seiner ursprünglichen Aktivität verloren hat, der Gehalt des Tabaks an unlöslichen Proteinstoffen und Proteinuntereinheiten auf 20 bis 40 % (Prozent), vorzugsweise 33 %, des Ausgangswertes reduziert.
- Erreicht man bis zu dem angegebenen Enzymabbau die angestrebte Proteinreduktion nicht, dann wird zweckmäßig eine höhere Enzymkonzentration eingesetzt; erreicht man die angestrebte Proteinreduktion schon ehe der angegebene Enzymabbau stattgefunden hat, dann war die Enzymkonzentration unnötig hoch angesetzt und man kann sie für spätere Chargen reduzieren. So findet man durch Probieren leicht die für das jeweils eingesetzte Enzym vorteilhafte Konzentration. Man kann bei so als optimal ermittelten Enzymkonzentrationen die Proteinreduktion weniger weit treiben, indem man die Behandlung vorzeitig abbricht. Dann hat man aber das Enzym nicht ausgenutzt.
- Geeignete Enzyme mit proteolytischer Aktivität sind bekannt und werden auf dem Markt angeboten. Von den so angebotenen Enzymen wählt man vorläufig diejenigen aus, von denen bekannt ist oder vermutet werden kann, daß sie in der Lage sind, den hier geforderten Abbau zu leisten, nämlich unlösliche Proteinbestandteile und Proteinuntereinheiten des Tabaks in lösliche Proteinfragmente zu zerlegen. Bei dieser Vorauswahl beschränkt man sich zweckmäßig auf solche Enzyme, die zu kommerziell günstigen Bedingungen bereitgestellt sind. Aus den vorausgewählten Enzymen findet man durch Probieren solche Enzyme, die besonders gut für dieses Verfahren geeignet sind.
- Eine Auswahl gut geeigneter Enzyme ist in Tabelle 1 am Schluß der Beschreibung angegeben.
- Für die metabolische Assimilation wird zweckmäßig die abgetrennte Lösung sterilisiert und dann mit einer in ihre exponentielle Wachstumsphase versetzten Kultur von Mikroorganismen, die die Fähigkeit besitzen, Proteine und Proteinuntereinheiten zu assimilieren, angeimpft und unter Zugabe von Zucker auf günstigen Lebensbedingungen hinsichtlich Energieversorgung, Temperatur, Belüftung und pH-Wert für diese Kultur gehalten, bis die gelösten Proteinfragmente und anderen niedermolekularen Stickstoffverbindungen zu mindestens 95% als Aufbaustoffe für das zelleigene Protein der Mikroorganismen verbraucht sind, und dann die metabolische Assimilation abgebrochen durch Abtrennen der Biomasse.
- Durch die Sterilisation und den Einsatz in exponentieller Wachstumsphase wird sichergestellt, daß die ausgewählte Kultur selektiv tätig ist und nicht durch andere Mikroorganismen verseucht wird. Durch den Abbruch der metabolischen Assimilation wird sichergestellt, daß nur die erwünschten Reaktionen hervorgerufen werden.
- Wenn hier und im folgenden davon gesprochen wird, daß dem Tabak Substanzen extrahiert werden und andere Substanzen daraus wieder zugesetzt werden, dann muß das sich nicht unbedingt auf die gleiche Tabakcharge beziehen. Man kann einer ersten Tabakcharge Substanzen entziehen und die wieder zuzusetzenden Substanzen einer zweiten Tabakcharge, die vorher einer entsprechenden Extraktion unterzogen wurde, wieder zusetzen.
- Mit dem erfinderischen Verfahren ist ein aufbereiteter, als Rauchprodukt geeigneter Tabak erzielbar, der gekennzeichnet ist durch einen Proteingehalt von 2 bis 10, vorzugsweise 3, Trockengewichtsprozent und einen Amadoriverbindungsgehalt von 0,1 bis 10, vorzugsweise 5,0, Trockengewichtsprozent. Bei den Amadoriverbindungen handelt es sich um diejenigen, die beim thermischen Zerfall Tabakaromen freisetzen.
- Zigaretten, die aus solchem Tabak hergestellt wurden, ergaben die in Tabelle 2 am Schluß der Beschreibung angegebenen Analysewerte.
- Die Erfindung wird nun anhand einiger Beispiele näher erläutert.
- In 10 I (Liter) Wasser wurden 3,75g (Gramm) des Enzyms Protease EC 3.4.24.4 mit einer Enzymaktivität von 1,0 Enzymeinheit pro mg (Milligramm) gelöst. Eine Enzymeinheit ist diejenige Aktivität, die Casein bei pH 7,5 und 37 °C (Grad Celsius) dermaßen hydrolisiert, daß pro Minute die Menge von 1 Mykromol Tyrosin freigesetzt wird. In diese 10 1 Enzymlösung wurden 1 kg (Kilogramm) aufzubereitende Tabakmischung (American Blend) in Form von sogenannten Strips (entrippte Blätter) eingeschlämmt. Diese Schlämme wurde 6 Stunden bei 37 °C stehengelassen und dabei gelegentlich umgerührt. Dann wurde die wässrige Phase von den .Strips abgetrennt und danach wurden die Strips zweimal mit je 2,5 I Wasser von 80 °C gewaschen und anschließend ausgepreßt. Die wässrige Phase, das Waschwasser und die beim Auspressen anfallende Flüssigkeit wurde zur Lösung vereinigt. Es ergaben sich insgesamt 121 Lösung.
- Der vorbehandelte Tabak, das sind die ausgepreßten Strips, wurde in strömender Warmluft bis auf eine Restfeuchte von 18 % (Prozent) getrocknet und aufbewahrt. Die aufzubereitende Tabakmischung, die Lösung und der vorbehandelte Tabak wurden analytisch untersucht. Es ergaben sich dabei Analysenwerte wie in Tabelle 3 angegeben.
- Die Tabelle 3 zeigt, daß 58 Trockengewichtsprozent der in der aufzubereitenden, eingesetzten Tabakmischung vorhandenen Proteine abgebaut worden sind und Abbauprodukte in die Lösung überführt wurden.
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- Die so aufbereitete Lösung wurde in einem Autoklaven bei 105 °C unter Druck sterilisiert und dann druckentlastet und auf 30 °C abgekühlt und in einen 20 I Fermenter überführt. Die 30 °C warme, aufbereitete Lösung wurde mit 600 ml (Milliliter) einer sich in ihrer exponentiellen Wachstumsphase befindenden Kultur von Candida utilis NCYC 707 angeimpft. Die angeimpfte Lösung wurde 8 Stunden lang unter Belüftung und laufendem Umrühren im Fermenter belassen. Der pH-Wert wurde zunächst mit KOH (Kaliumhydroxyd) und später mit Zitronensäure auf pH 5,5 stabilisiert. Dabei wurden die Proteine, Aminosäuren, Nitrate und Nitrite durch metabolische Assimilation abgebaut. Nach Ablauf der 8 Stunden wurde die Biomasse abzentrifugiert. Man erhielt 2,25 I Biomasse mit einem Feststoffgehalt von 16 %, entsprechend 360 g wasserfreier Biomasse.
- Der durch das Zentrifugieren gewonnene Überstand - die sogenannte Restlösung - enthielt die Tabakalkaloide in der ursprünglich vorhandenen Konzentration, darüberhinaus aber nur noch Spuren an löslichen Stickstoffverbindungen. Das Gesamtvolumen der Restlösung betrug 9,75 I, die bis zur späteren Weiterverwendung bei 20 °C aufbewahrt wurden.
- Die abfiltrierte Biomasse wurde mit 1 1 6N Salzsaüre 15 Stunden in einem Rundkolben unter Rückfluß gekocht. Dabei zerfiel die Biomasse und die Proteine wurden destruktiv hydrolisiert, wobei die Aminosäure Tryptophan so weitgehend zerstört wurde, daß sie analytisch nach der Hydrolyse nicht mehr nachweisbar war.
- Das Hydrolysat wurde von den Rückständen der Biomasse durch Filtrieren getrennt, wobei die überschüssige Salzäure entwich. Der Trockenrückstand, der zu einem großen Teil aus Aminosäuren bestand, wurde mit 100 ml Wasser angerührt und vom unlöslichen Rückstand abfiltriert. Man erhielt ein Aminosäurengemisch mit einem Wassergehalt von etwa 50 %.
- Dieses Aminosäurengemisch wurde mit NH40H (Ammoniumhydroxyd) auf pH 7 eingestellt und mit 100 g Glukose versetzt und 2 Stunden unter Rückfluß in einem Rundkolben gekocht, wobei sich der Rundkolben bräunte und Amadoriverbindungen gebildet wurden. Der noch heiße Kolbeninhalt wurde mit der vorher gewonnenen Restlösung ausgewaschen, so daß die löslichen Amadoriverbindungen in die Restlösung übergingen.
- Die so gewonnene, nun mit Amadoriverbindungen angereicherte Restlösung wurde auf den vorbehandelten Tabak, also die ausgepreßten Strips, in einer rotierenden Flavourtrommel aufgesprüht, wobei während des Sprühens das überschüssige Wasser durch Einblasen von Warmluft abgedampft wurde.
- Der so gewonnene, aufbereitete Tabak hatte beziehungsweise entfaltete sein volles ursprüngliches Aroma und enthielt Alkaloidstickstoff, das heißt Nikotin, in der ursprünglichen Konzentration. Dagegen war der Gehalt an Proteinstickstoff um 58 % und der Gehalt an Amin-, Ammoniak- und Nitratstickstoff um 90 % gegenüber den ursprünglichen Gehältern im eingesetzten Tabak reduziert.
- Diese Beispiele unterscheiden sich vom Beispiel 1 nur durch die aus Tabelle 4 ersichtlichen Sachverhalte.
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