AT386839B

AT386839B - Verfahren zur herstellung von thermoreversible gele bildenden staerkehydrolyseprodukten

Info

Publication number: AT386839B
Application number: AT87687A
Authority: AT
Original assignee: Berghofer Emmerich Dipl Ing Dr; Mundigler Norbert
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1987-04-09
Publication date: 1988-10-25
Also published as: ATA87687A

Description

Werden native Stärkekörner in Wasser suspendiert und die Suspension über die Verkleiste- rungstemperaur erhitzt, bildet sich ab einer bestimmten Stärkekonzentration eine viskose Stärke- paste oder-gel aus. Native Stärken zählen daher zu den thermogelierenden Hydrokolloiden.

Wenn die Kettenlängen der Stärkemoleküle auf chemischem, enzymatischem oder mechanischem
Weg verkürzt werden, kann beim Erhitzen in Wasser ab einem besimmten Hydrolysegrad keine
Gelstruktur mehr gebildet werden, bzw. eine bestehende Gelstruktur wird dadurch irreversibel zerstört. Auf herkömmliche Weise hergestellte Stärkeabbauprodukte (z. B. Maltodextrine, Dextrine,
Oxydierte Stärken) gehen deshalb beim Erhitzen in Wasser zwar in Lösung, sie bilden aber kein Gel, auch wenn die Lösung wieder abgekühlt wird.

Wenn nun aber die Hydrolyse der Stärkemoleküle so geführt wird, dass sie nicht alle Stärke- moleküle gleichmässig betrifft, sondern ein Teil davon bevorzugt gespalten wird, entstehen Produkte mit thermoreversibel gelbildenden Eigenschaften. Das bedeutet, dass diese Produkte beim Erhitzen in Wasser leicht in Lösung gehen, und beim Abkühlen ab einer gewissen Konzentration Gele bilden. Bei erneutem Erhitzen auf über 500C schmelzen diese Gele wieder. Sie sind auch im
Gegensatz zu den Gelen nativer Stärken gefrier-auftaustabil.

Diese thermoreversibel gelbildenden Stärkehydrolyseprodukte (SHP) ergeben besondere Vorteile bei der Verwendung im Lebensmittelbereich (RICHTER, M. ; SCHIERBAUM, F. ; AUGUSTAT, S. : SHP für kalorienreduzierte Lebensmittel. Ernährungsforschung 26 [1975] 168171). Die wichtigste funktionelle Eigenschaft der daraus resultierenden Gele ist ihre Mischbarkeit mit den üblichen
Nahrungsfetten. Die Gele selbst weisen eine fettähnliche Konsistenz auf. Durch die gute Mischbarkeit und auf Grund ihrer Geschmacksneutralität können sie Fette in fettreichen Lebensmitteln (z. B. Mayonnaisen, Sossen, Cremes, Aufstriche) teilweise ersetzen. Durch diesen Austausch wird in erster Linie eine Kalorienreduktion erreicht.

Die Kalorienreduktion ergibt sich aus der Tatsache, dass erstens die Gele überwiegend aus Wasser bestehen und zweitens der Brennwert von 1 g Stärke nur 17, 1 KJ, der von lg Fett aber 38,9 KJ beträgt. Neben dem ernährungsphysiologischen Vorteil ergeben sich auch wirtschaftliche Vorteile durch den niedrigeren Preis gegenüber den Fetten. Weiters wird auch teilweise eine Verbesserung des Gebrauchswertes erzielt. Beispielsweise ist bei den mit SHP hergestellten, kalorienreduzierten Mayonnaisen selbst bei der Lagerung unter sehr ungünstigen, klimatischen Bedingungen keine Phasentrennung zu beobachten.

Wie bereits erwähnt, erfoderte die Produktion thermoreversibel gelbildender SHP spezielle Hydrolyseverfahren, die gestatten, dass eben nur ein Teil der Stärke bevorzugt gespalten wird und dies auch nur in relativ grosse Kettenbruchstücke. Die Erfüllung der zweiten Voraussetzung ist nur durch die Hydrolyse mit alpha-Amylasen erfüllbar. Beim Abbau mit Säuren entstehen nämlich auch bei niedrigen Hydrolysegraden bereits relativ grosse Glucosemengen. Um nun einen Teil der Stärke der Enzymeinwirkung bevorzugt auszusetzen, müssen geeignete Verkleisterungsverfahren eingesetzt werden. In der DE-OS 2305494 wird ein solches Verfahren beschrieben. Dazu wird die Stärke vorerst in Wasser suspendiert.

Nach PH-Einstellung und alpha-Amylasezugabe wird die Suspension batchweise nach einem Temperatur-Zeitprogramm unter Einhaltung mehrerer Temperaturstufen auf 70 C aufgeheizt. Die eingehaltenen Temperaturstufen liegen insbesonders knapp unterhalb und knapp oberhalb der jeweiligen Verkleisterungstemperatur. Auf diese Weise erfolgt die Verkleisterung der Stärkekörner ebenfalls stufenweise und das Enzym hat die Möglichkeit, schon in Lösung gegangene Stärkekornanteile in grösserem Ausmass zu hydrolysieren, als erst später verkleisternde Anteile. Es ist eine bekannte Tatsache, dass bei Verkleisterungsbeginn besonders die Amylose aus den Stärkekörnern in Lösung geht. Zur Auflösung der nativen, kristallinen Amylopektinstruktur ist dann noch eine intensivere, thermische Energieeinwirkung erforderlich.

Beim zitierten Verkleisterungsverfahren wird also bevorzugt die Amylose dem Enzymangriff ausgesetzt. Das fertige Produkt soll nur einen Dextroseäquivalent-Wert (DE-Wert) von 3 bis 8 aufweisen. Die Enzymaktivität muss deshalb nach Erreichen dieses Wertes zerstört werden. Beim Verfahren der DE-OS 2305494 geschieht das durch rasches Aufheizen auf 95 bis 100 C und Halten für einige Zeit in diesem Temperaturbereich.

Nachteilig beim Verfahren der DE-OS 2305494 ist die Tatsache, dass die Herstellung nur chargenweise und nicht kontinuierlich erfolgen kann. Weiters ist ein relativ kompliziertes Temperatur-Zeit-Programm einzuhalten, was die Steuerung des Verfahrens kompliziert. Auf Grund

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mit Lauge, vorzugsweise Natronlauge, wieder neutralisiert. Vorteilhafter ist eine kontinuierliche
Durchführung der Inaktivierung, indem die SHP-Lösung durch eine Rohrschlange gepumpt wird.
Am Beginn der Rohrschlange wird kontinuierlich Säure und am Ende Lauge dazudosiert. Die
Länge der Rohrschlange und die Durchflussrate werden durch die notwendige Reaktionzeit festge- legt.

Die SHP-Lösung wird anschliessend entweder direkt getrocknet (z. B. Sprüh-oder Walzen- trocknung) oder vorher noch gereinigt. Durch eine Reinigung sollen Nebenbestandteile, wie beispielsweise Proteine und Salze, entfernt werden. Als Reinigungsverfahren eignen sich besonders die Adsorptionsfiltration und/oder der Ionenaustausch.

Die nach diesem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten SHP zeigen die gleichen, vorteilhaften chemischen, physikalischen und vor allem funktionellen Eigenschaften wie die in der DE-OS 2305494 beschriebenen Produkte.

Das erfindungsgemässe Verfahren wird durch folgende Beispiele näher erläutert :
Beispiel 1 :
17, 2 kg Kartoffelstärke (Wassergehalt 12, 8%) wurden in 32, 8 kg Leitungswasser mit 15 C suspendiert und 7, 5 ml alpha-Amylasepräparat (Termamyl 120 L, Fa. Novo, Dänemark) eingerührt und der PH-Wert mit 30%iger Natronlauge auf 6, 5 gestellt. In einem Edelstahlbehälter (Durchmesser
30 cm, Höhe 60 cm), ausgerüstet mit einem Turbinenrührer (500 Umdr/min wurden 10 l Wasser vorgelegt und durch direkte Dampfeinleitung auf 95 C aufgeheizt und gehalten. Nun wurde die
Stärkesuspension mit einer Durchflussgeschwindigkeit von 1 l/min kontinuierlich von oben in den Behälter gepumpt und gleichzeitig am Behälterboden die Stärkehydrolysatlösung mit 1 l/min abgepumpt.

Die mittlere Verweilzeit betrug daher rund 10 min.

Die abgezogene Stärkehydrolysatlösung wurde zur Enzyminaktivierung durch eine Rohrschlange gepumpt, an deren Anfang durch Zudosierung von 5 n Schwefelsäure der PH-Wert der Lösung auf 1, 1 gebraucht wurde, und an deren Ende durch Zudosierung von 5 n Natronlauge der PH-Wert wieder auf 6, 5 angehoben wurde. Die Länge der Rohrschlange wurde so bemessen, dass sich etwa eine Reaktionszeit von 10 min bei tiefem pH-Wert ergab.

Die rund 60 l Stärkehydrolysatlösung wurden mit 75 g Aktivkohle und 0, 2 kg Kieselgur in einen auf 60 C beheizten Rührkessel vermischt und über eine Rahmenfilterpresse filtriert.

Das erhaltene Filtrat wurde dann zur Abtrennung von Aktivkohleteilchen noch über ein Polierfilter geleitet.

Anschliessend wurde die klare Stärkehydrolysatlösung in einem Technikumssprühtrockner mit Düsenzerstäubung getrocknet (Trocknungslufttemperatur 180 C, Ablufttemperatur 70 C).

Mit diesem SHP-Produkt wurden Gele mit unterschiedlichem Trockensubstanzgehalt hergestellt.

Dazu wurde die entsprechende Menge des Trockenproduktes mit einem Homogenisator in Leitungswasser von 800C gelöst. Die klare Lösung wurde in 250 ml-Bechergläser bis zur 200 mI-Marke eingefüllt, die Bechergläser mit Parafilm verschlossen und über Nacht bei 4 C zur Ausbildung des Gels gelagert.

Mittels eines Instron-Texturmessgerätes wurde die Kraft in Newton gemessen, die zum Eintauchen eines Stempels (Durchmesser 55 mm) in das Gel benötigt wird.

Die Beurteilung der Gele in flüssig, pastös oder schnittfest wurde visuell vorgenommen.

Die Bestimmung des Dextroseäquivalentes (DE-Wert) erfolgte nach der Standardmethode Luff-Schorl.

Die Molekulargewichtsverteilung wurde mittels HPGP-Chromatographie an Agarose vorgenommen.

Sämtliche Untersuchungsergebnisse zeigt Tabelle l.

Beispiel 2 :
Die Durchführung erfolgte wie bei Beispiel 1 beschrieben, mit Ausnahme der Durchflussgeschwindigkeit durch den Reaktionsbehälter. Diese betrug bei diesem Beispiel 0, 5 l/min, wodurch sich eine mittlere Verweilzeit von 20 min ergab.

Die Untersuchungen des fertigen Trockenproduktes erfolgten ebenfalls analog wie im Beispiel 1 angeführt. Die Ergebnisse zeigt Tabelle 1.

Beispiel 3 :
Die Durchführung erfolgte wie bei Beispiel 1 beschrieben mit Ausnahme der Durchflussgeschwindigkeit durch den Reaktionsbehälter. Diese betrug bei diesem Beispiel 0,33 l/min, wodurch sich eine mittlere Verweilzeit von 30 min ergab.

Beispiel 4 :
Die Durchführung erfolgte wie bei Beispiel 1 beschrieben mit Ausnahme der Durchflussgeschwindigkeit durch den Reaktionsbehälter. Diese betrug bei diesem Beispiel 0, 25 l/min, wodurch sich eine mittlere Verweilzeit von 30 min ergab.

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Claims

Tabelle 1 Eigenschaften der Stärkekydrolyseprodukte (SHP) EMI4.1 <tb> <tb> Beispiel <SEP> 1 <SEP> Beispiel <SEP> 2 <SEP> Beispiels <SEP> Beispielt <SEP> SHP-Batch*) <SEP> HD-5**) <SEP> <tb> Mittlere <SEP> HydrcJysezeit <SEP> <tb> bei <SEP> der <SEP> Herstellung <tb> (min) <SEP> 10 <SEP> 20 <SEP> 30 <SEP> 40 <tb> DE-Wert <SEP> 3, <SEP> 56 <SEP> 4, <SEP> 74 <SEP> 5, <SEP> 75 <SEP> 7, <SEP> 75 <SEP> 6, <SEP> 33 <SEP> 4, <SEP> 5 <SEP> <tb> Molekulargewichtsverhäl <SEP> tnis <SEP> ***) <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 0, <SEP> 9 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 1 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 25 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1, <SEP> 4 <SEP> 1 <SEP> :

<SEP> 3, <SEP> 2 <SEP> <tb> Gelfestigkeit <SEP> (Newton) <SEP> <tb> bei <SEP> 14% <SEP> TS <SEP> 44 <SEP> (sf) <SEP> +) <SEP> 16 <SEP> (p) <SEP> ++) <SEP> 8 <SEP> (p) <SEP> kein <SEP> Gel <SEP> kein <SEP> Gel <SEP> kein <SEP> Gel <SEP> <tb> bei <SEP> 21% <SEP> TS <SEP> 1O9 <SEP> (sf) <SEP> 53 <SEP> (sf) <SEP> 79 <SEP> (sf) <SEP> 20 <SEP> (p) <SEP> 23 <SEP> (p) <SEP> kein <SEP> Gel <SEP> <tb> bei <SEP> 28% <SEP> TS <SEP> 411 <SEP> (sf) <SEP> 239 <SEP> (sf) <SEP> 245 <SEP> (sf) <SEP> 105 <SEP> (sf) <SEP> 139 <SEP> (sf) <SEP> kein <SEP> Gel <tb> *) hergestellt laut Beispiel 2 der DE-OS 2305494 EMI4.2 Erhitzen mit Wasser thermoreversible Gele bilden, unter Verwendung von alpha-Amylase, gekennzeichnet durch die Kombination der Massnahmen, dass a)

eine Stärkesuspension nach alpha-Amylasezugabe kontinuierlich in einen Reaktionsbe- hälter mit Wasservorlage gepumpt wird, der auf eine Temperatur aufgeheizt und gehalten wird, die über der Verkleisterungstemperatur der Stärke, vorzugsweise zwischen 90 bis 100 C, liegt, b) gleichzeitig mit der Stärkesuspensionszufuhr am Behälterboden kontinuierlich das gleiche Flüssigkeitsvolumen an Stärkehydrolysatlösungabgezogen wird, wobei die Durch- <Desc/Clms Page number 5> flussgeschwindigkeit durch den Reaktionsbehälter so gewählt wird, dass sich mittlere Verweilzeiten von 5 bis 60 min, vorzugsweise von 10 bis 30 min ergeben, c) sofort nach dem Abzug der Stärkehydrolysatlösung aus dem Reaktionsbehälter die alpha-Amylase vorzugsweise durch kurzzeitige PH-Absenkung inaktiviert wird, d) die Stärkehydrolysatlösung,

gegebenenfalls nach Abtrennung molekular- und grob- disperser Verunreinigungen, vorzugsweise durch Sprühtrocknung getrocknet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung des Reaktionsbehälters vorzugsweise durch direkte Dampfeinleitung erfolgt.