Verfahren zur Extraktherstellung aus stärkehaltigem Material
Die vorliegende Erfindung betrifft ein enzymatisches Abbauverfahren zur Herstellung eines Extraktes aus stärkehaltigem Material. Insbesondere kann das Verfahren zur Herstellung von Würze zur Bierbereitung aus stärkehaltigem Material angewendet werden.
Beispielsweise wird das in der Brauindustrie verwendete Malz aus Getreidekörnern gewonnen, und bei den zur Zeit üblichen Mälzprozessen lässt man die Körner keimen, damit sich ein Enzym bildet, welches in den Körnern Malzzucker aus Stärke bildet.
Die in der Brauindustrie üblicherweise verwendete Getreidesorte ist Gerste. Für Brauzwecke ist es wichtig, ein Getreide zu haben, dessen Keimfähigkeit so dicht wie möglich bei 100% liegt. Deshalb ist eine sorgfältige Auswahl des Getreides erforderlich, und als Folge davon ist die beste Qualität der für Brauzwecke verwendeten Getreidearten besonders teuer.
Während der Keimung werden in dem Getreide Stickstoffverbindungen erzeugt, und daraus folgt wiederum, dass das Getreide sorgfältig ausgewählt werden muss. Ausserdem ist eine sorgfältige Kontrolle des Keimungsprozesses erforderlich, um sicherzustellen, dass das Produkt des Verfahrens die vom Brauer gewünschten Stickstoffmerkmale hat. Die Kontrolle der Keimung ist schwierig durchzuführen, und in einem gewissen Grad ist das Verfahren unkontrollierbar, da die Bildung des Enzymkomplexes und seine Reaktion mit dem Protein der Stärke natürliche Vorgänge sind, die, sobald sie einmal eingesetzt haben, nicht vollständig kontrolliert werden können, selbst wenn die Temperatur und die für die Keimung gewählten Feuchtigkeitsbedingungen strikt eingehalten werden.
Das Darren des Getreides stoppt den Keimungsprozess.
Falls ein Brauer ein dunkles Bier mit einer besonderen Geschmacksnote herstellen will, dann benötigt er ein völlig anderes Malz als ein Brauer, der ein helles Bier einer anderen Geschmacksrichtung herstellen will. Die Erzielung der Farbe und des Geschmackes ist weitgehend eine Frage der Art, in welcher das Getreide gemälzt wird, und für ein dunkles Bier ist gmndsätzlich eine höhere Darrtemperatur erforderlich. Das hat einen ungünstigen Einfluss auf das Enzymsystem des Malzes während des Brauprozesses. Niedrige Darrtemperatur zur Herstellung heller Biere hat einen ähnlichen Effekt, und daher müssen die Brauer üblicherweise Malze mit verschiedenen Eigenschaften vor dem Brauprozess mischen.
Das Malz muss gemahlen und mit Wasser eingemaischt werden, um das Enzymsystem wirksam werden zu lassen; und da sowohl die Amylolyse als auch die Proteolyse während des Maischens stattfindet, muss eine sorgfältige Zeit- und Temperaturkontrolle durchgeführt werden. Aber auch bei sorgfältiger Kontrolle sieht sich der Brauer denselben Schwierigkeiten gegenüber wie der Mälzer, weil der Maischprozess zum Teil ein Naturprozess ist, der nicht vollständig kontrolliert werden kann, so dass das Endprodukt nicht immer gleich ist. Das Kontrollsystem ist natürlich teuer, und der Zeitfaktor ist beträchtlich. Aber wenn keine Kontrolle durchgeführt wird, dann kann das Endprodukt unter Umständen unverkäuflich sein.
Die nach den oben beschriebenen Verfahren hergestellten Würzen müssen einem Extraktionsverfahren unterworfen werden, um einige der unlöslichen Stoffe daraus zu entfernen.
Aus der oben gegebenen Beschreibung geht hervor, dass das gegenwärtig verwendete Verfahren zur Herstellung von Würze für die Brauindustrie schwierig durch führen und daher teuer ist, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, eine genaue Kontrolle der beteiligten mi kro bio logischen Prozesse durchzuführen.
Die vorliegende Erfindung liefert ein Verfahren zur Herstellung von Getreideextrakten, das leichter zu be- herrschen ist, als das bisher verwendete Mälzverfahren und das ein Produkt liefert, das zur Gewinnung von Würze für die Brauindustrie gereinigt werden kann, oder das als Grundlage oder als Ausgangsmaterial für andere Produkte verwendet werden kann.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung eines Extraktes aus stärkehaltigem Material ist dadurch gekennzeichnet, dass man ein gemahlenes, stärkehaltiges Ausgangsmaterial mit Wasser maischt, dass man die Maische auf ein solches pH einstellt, dass unter Freisetzung der im Ausgangsmaterial vorhandenen natürlichen Enzy me Peptisation eintritt, dass man den pH-Wert der Maische auf 5,0 bis 6,0 kommen lässt oder einstellt,
und dass man eine Hydrolyse mindestens eines Teils des im stärkehaltigen Material vorhandenen Proteins durch Zugabe eines wärmebeständigen proteolytischen Enzyms und durch Temperatureinstellung sowie eine partielle Amylolyse mindestens eines Teils des stärkehaltigen Materials und dessen vollständige Amylolyse durch Zugabe eines wärmebeständigen amylolytischen Enzyms und durch Temperntureinsteflungen vornimmt, wobei die genannte Hydrolyse, partielle Amylolyse und vollständige Amylolyse in beliebiger Reihenfolge, die vollständige Amylolyse jedoch stets nach der partiellen Amylolyse, ausgeführt werden.
Vorzugsweise wird das proteolytische Enzym zugegeben und die Temperatur der Maische zur Förderung der Wirksamkeit dieses Enzyms eingestellt, bevor das amylo lytiscne Enzym zugegeben wird, und bevor die Temperaturbereiche, die zur Förderung der Wirksamkeit dieses Enzym systems erforderlich sind, eingestellt werden.
Temperaturbereiche, die für das Wirksamwerden der verschied2nen Enzyme vorteilhaft sind, sind die folgenden: Proieolytische Enzyme von 380 bis 530 C; amylolytische Enzyme: für teilweise Amylolyse von 600 bis 660 C und zur Vervollständigung der Amylolyse von 680 bis 72 C
Daraus ist ersichtlich, dass die proteolytischen Enzyme bei niedrigeren Temperaturen wirksam sind als die amylolytischen Enzyme, und dass für die Vervollständigung der Amylolyse die amylolytischen Enzyme eine höhere Temperatur benötigen als für die partielle Amylolyse.
Die Mengen der verschiedenen zugesetzten Enzyme liegen vorzugsweise in den folgenden Bereichen: Proteo lytisches Enzym 0,006 bis 0,048%, bezogen auf das Gewicht des Getreides; amylolytisches Enzym 0,037 bis 0,148?k des Gewichtes des Getreides.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung von Würze für Brauzwecke, wobei das Produkt des oben definierten Verfahrens zusätzlich gereinigt wird, und wobei die so hergestellte Würze zu Bier vergoren werden kann.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemässen Verfahrens als Beispiele angegeben.
Zuerst wird eine allgemeine Beschreibung des erfindungsgemässen Verfahrens, gefolgt von zwei speziellen Beispielen gegeben. Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein Getreide, vorzugsweise Gerste, zu einem groben oder feinen Mehl gemahlen und mit Wasser, dessen pH-Wert im Bereich von 2,0 bis 3,5 liegt, um die natürlichen Enzyme des Getreides in Freiheit zu setzen, eingemaischt. Der sich ergebende pH-Wert der Maische soll zwischen 5,0 und 6,0, vorzugsweise zwischen 5,4 und 5,7 liegen. Auf 100 Gewichtsteile Wasser werden zwischen 15 und 27 Gewichtsteile Getreide verwendet.
Der pH-Wert des Wassers wird durch Zugabe von Salzsäure auf den gewünschten Wert eingestellt. Die Maische wird auf eine Temperatur zwischen 380 und 53 C erhitzt, und bei dieser Temperatur 1/2 Stunde bis 1,4 Stunden gerührt, um die Peptisation des Getreide weisses zu bewirken. Ein proteolytisches Enzym, wie beispielsweise Ficin, Bromelin, Pakreatin, Pepsin oder Papain wird dann zugegeben, und die Maische wird in dcmselben Temperaturbereich eine weitere Zeit zwischen 1/2 Stunde und 11/2 Stunden gehalten, um die Proteolyse zu bewirken. Der pH-Wert der Maische bleibt während dieser Zeit innerhalb des Bereiches von 5,0 bis 6,0, es wurde jedoch festgestellt, dass er in gewissem Ausmass absinkt.
Während der Proteolyse werden die Proteine bis zu Polypeptiden, Peptonen und in gewissem Grad bis zu Aminosäuren und anderen Produkten abgebaut.
Dann wird ein amylolytisches Enzym, wie beispielsweise flüssiger Malzextrakt, Pilzamylase od. Bakterienamylase, zugegeben, u. die Temperatur wird auf 600 und 66 C gesteigert und 1,4 Stunde bis 2 Stunden innerhalb dieser Grenzen gehalten. Das bewirkt Verflüssigung und teilweise Verzuckerung der Getreidestärke. Dann wird die Temperatur wiederum gesteigert, dieses Mal auf einen Wert zwischen 680 und 720 C, und annähernd eine 1% Stunde bis 1 1· Stunden innerhalb dieser Grenzen gehalten, um die Verzuckerung zu vervollständigen.
Unlösliche Stoffe, wie beispielsweise die Getreidefasern, werden jetzt aus der Mischung entfernt, und die gereinigte Flüssigkeit wird auf eine Temperatur zwischen 820 und 1210 C erhitzt, und zwar eine Zeit, die annähernd zwischen 2 Stunden und 5 Minuten liegt. Die Flüssigkeit wird dann auf 660 bis 820 C abgekühlt.
Dieses Erhitzen zerstört die Enzyme und bewirkt zusammen mit der anschliessenden Kühlung Koagulation und Ausscheidung eines Teils der zurückbleibenden Eiweissstoffe, sowie eine zusätzliche Steigerung der Farbe und des Geschmacks, teilweise als Folge der Karamelisierung der vorhandenen Zucker. Die ausgeschiedenen Stoffe werden jetzt von der Flüssigkeit abgetrennt beispielsweise in einer Zentrifuge.
Der so gebildete Extrakt aus Getreide kann so wie er ist verwendet werden, oder er kann für die Lagerung oder den Transport konzentriert werden. Nach der Abtrennung der ausgeschiedenen Eiweissstoffe kann er als Würze zur Bierherstellung dienen.
Das vorstehend beschriebene Verfahren ist billiger als die bisher verwendeten Mälz- und Maischverfahren, und die Anforderungen an das Ausgangsmaterial sind weniger streng als in Mälzverfahren. Daher können billigere Ausgangsstoffe verwendet werden.
Die Proteolyse kann durch Änderung des pH-Wertes der Mischung, der Menge des zugegebenen proteolytischen Enzyms, der Zeit der Proteolyse, der Temperatur der Mischung oder einiger oder aller dieser Faktoren beliebig gelenkt werden. Auf diese Weise können die Stickstoff-Eigenschaften des Endproduktes weitgehend bestimmt werden. Das Verfahren kann so gelenkt werden, dass die gewünschte Menge an niedermolekularen Stickstoffverbindungen gewonnen wird, und dass der verbleibende Überschuss an hochmolekularen Stickstoffverbindungen durch Koagulation bei hohen Temperaturen und durch nachfolgende Abkühlung, wie oben beschrieben, entfernt wird. Zwei Beispiele dienen zur näheren Erläuterung des erfindungsgemässen Verfahrens.
Beispiel I 45,4kg fein gemahlene Gerste wurden zu 109 Liter Wasser gegeben. 68 ml 32%ige Salzsäure wurden zugegeben, um den pH-Wert des Wassers anfänglich auf 2,7 zu bringen und den pH-Wert der Mischung anschliessend auf 5,6. Die Mischung wurde dann auf 500 C erhitzt und 1 Stunde lang bei dieser Temperatur gehalten. Diese Behandlung bewirkt Peptisation des Getreideproteins.
Das proteolytische Enzym Ficin wurde dann der Mischung zugegeben, und zwar in einer Menge von 0,024% des Gesamtgewichtes des Getreides. Die Temperatur der Mischung wurde eine weitere Stunde lang bei 500 C gehalten.
Anschliessend wurde amylolytisches Bakterienenzym in einer Menge von 0,074% des Gesamtgewichtes des Getreides zugegeben, die Temperatur der Mischung wurde auf 630 C erhöht und 1t/2 Stunden lang auf diesem Wert gehalten. Die Temperatur der Mischung wurde dann auf 700 C gesteigert und 1 Stunde lang bei diesem Wert gehalten, woraufhin die Faserstoffe der Mischung von der restlichen Lösung abgetrennt wurden. Die zurückbleibende Flüssigkeit wurde dann auf 1000 C erhitzt und ungefähr 15 Minuten lang bei dieser Temperatur gehalten, um alle Enzyme zu zerstören. Die Flüssigkeit wurde anschliessend auf 660 C abgekühlt, filtriert und konzentriert.
Die Menge des Formolstickstoffes in dem entstandenen Malzextrakt betrug 383 mg/100 ml bei 100% Gesamtfeststoffen und die Menge des Gesamtstickstoffes betrug 1320 mgl 100 ml bei 100% Gesamtfeststoffen.
Demzufolge beträgt das Verhältnis von Formolstickstoff zu Gesamtstickstoff (%) 29,0%.
Beispiel 2 45,4 kg grob gemahlene Gerste wurden zu 109 Liter Wasser gegeben und 44,5 ml 32%ige Salzsäure wurden zugegeben, um den anfänglichen pH-Wert des Wassers auf 2,7 und anschliessend den pH-Wert der Mischung auf annähernd 5,7 zu bringen, wobei ein Pufferungseffekt durch einige Bestandteile des Getreides verursacht wird.
Die Mischung wird dann 1 Stunde lang auf 500 C gehalten.
Das proteolytische Enzym Bromelin wird dann in einer Menge von 0,012Gew.-% der Gesamtmenge des Getreides zugegeben und die Temperatur 1 Stunde lang bei 500 C gehalten.
Dann wurden 0,074 Gew.-% des amylolytischen Bakterienenzyms zugegeben und die Temperatur wurde auf 630 C gesteigert und l1/2 Stunden lang bei diesem Wert gehalten. Die Temperatur wurde dann nochmals gesteigert und 1 Stunde lang bei 700 C gehalten. Die Faserstoffe wurden dann aus der Mischung abgetrennt.
Die entstandene Flüssigkeit wurde ca. 15 Minuten lang auf die Temperatur von 1000 C erhitzt und dann auf die Temperatur von 660 C abgekühlt, filtriert und konzentriert.
Die Menge des Formolstickstoffes in dem Produkt betrug 183 mg/ 100 ml bei 100% Gesamtfeststoffen und die Menge des Gesamtstickstoffes betrug 854 mg/ 100 ml bei 100% Gesamtfeststoffen. Das Verhältnis des Formolstickstoffes zum Gesamtstickstoff war 21,4%. Während der beiden oben beschriebenen Verfahren wird die Maische ständig gerührt.
Process for extract production from starchy material
The present invention relates to an enzymatic degradation process for the production of an extract from a starchy material. In particular, the method can be used for the production of wort for brewing beer from material containing starch.
For example, the malt used in the brewing industry is obtained from grains, and in the malting processes that are currently common, the grains are allowed to germinate so that an enzyme is formed which forms malt sugar from starch in the grains.
The type of grain commonly used in the brewing industry is barley. For brewing purposes, it is important to have a grain that is as close to 100% germinability as possible. Careful selection of the grain is therefore required and, as a result, the best quality grains used for brewing purposes are particularly expensive.
During germination, nitrogen compounds are created in the grain and this in turn means that the grain must be carefully selected. In addition, careful control of the germination process is required to ensure that the product of the process has the nitrogen characteristics desired by the brewer. Control of germination is difficult to perform, and to some extent the process is uncontrollable, since the formation of the enzyme complex and its reaction with the starch protein are natural processes which, once set in, cannot be fully controlled by themselves if the temperature and humidity conditions chosen for germination are strictly observed.
The drying of the grain stops the germination process.
If a brewer wants to make a dark beer with a special flavor, then he needs a completely different malt than a brewer who wants to make a light beer of a different flavor. Achieving the color and taste is largely a question of the way in which the grain is malted, and a dark beer generally requires a higher drying temperature. This has an unfavorable influence on the enzyme system of the malt during the brewing process. Low fermentation temperature for the production of light beers has a similar effect and therefore brewers usually have to mix malts with different properties before the brewing process.
The malt has to be ground and mashed with water for the enzyme system to work; and since both amylolysis and proteolysis take place during mashing, careful time and temperature control must be performed. But even with careful control, the brewer faces the same difficulties as the maltster, because the mashing process is partly a natural process that cannot be fully controlled, so that the end product is not always the same. The control system is of course expensive and the time factor is considerable. But if no control is carried out, the end product may not be for sale.
The seasonings produced by the above-described processes must be subjected to an extraction process in order to remove some of the insolubles therefrom.
From the description given above, it can be seen that the presently used method of making wort for the brewing industry is difficult to carry out and therefore expensive, mainly because of the difficulty in carrying out precise control of the microbiological processes involved.
The present invention provides a process for the production of cereal extracts that is easier to control than the malting process used hitherto and that provides a product that can be purified to obtain wort for the brewing industry, or as a base or starting material for other products can be used.
The process according to the invention for producing an extract from starchy material is characterized in that a ground, starchy starting material is mashed with water, that the mash is adjusted to a pH such that peptization occurs, releasing the natural enzymes present in the starting material, that lets or adjusts the pH of the mash to 5.0 to 6.0,
and that a hydrolysis of at least part of the protein present in the starch-containing material by adding a heat-resistant proteolytic enzyme and by adjusting the temperature and partial amylolysis of at least part of the starch-containing material and its complete amylolysis by adding a heat-resistant amylolytic enzyme and by temperature adjustments is carried out, wherein the said hydrolysis, partial amylolysis and complete amylolysis can be carried out in any order, but the complete amylolysis always after the partial amylolysis.
Preferably, the proteolytic enzyme is added and the temperature of the mash adjusted to promote the effectiveness of this enzyme before the amylo lytic enzyme is added and before the temperature ranges required to promote the effectiveness of this enzyme system are set.
The following temperature ranges are advantageous for the various enzymes to take effect: proolytic enzymes from 380 to 530 C; amylolytic enzymes: for partial amylolysis from 600 to 660 C and to complete the amylolysis from 680 to 72 C.
It can be seen from this that the proteolytic enzymes are effective at lower temperatures than the amylolytic enzymes, and that the amylolytic enzymes require a higher temperature for the amylolysis to be completed than for the partial amylolysis.
The amounts of the various enzymes added are preferably in the following ranges: proteolytic enzyme 0.006 to 0.048%, based on the weight of the grain; amylolytic enzyme 0.037 to 0.148? k of the weight of the grain.
A preferred embodiment of the invention consists in a method for producing wort for brewing purposes, wherein the product of the method defined above is additionally purified, and wherein the wort produced in this way can be fermented into beer.
Preferred embodiments of the process according to the invention are given as examples below.
A general description of the process of the invention is first given, followed by two specific examples. According to the process according to the invention, a grain, preferably barley, is ground to a coarse or fine flour and mashed with water, the pH of which is in the range from 2.0 to 3.5, in order to release the natural enzymes of the grain . The resulting pH of the mash should be between 5.0 and 6.0, preferably between 5.4 and 5.7. Between 15 and 27 parts by weight of grain are used per 100 parts by weight of water.
The pH of the water is adjusted to the desired value by adding hydrochloric acid. The mash is heated to a temperature between 380 and 53 C, and stirred at this temperature for 1/2 hour to 1.4 hours in order to effect the peptization of the white grain. A proteolytic enzyme such as ficin, bromeline, pakreatin, pepsin or papain is then added and the mash is held in the same temperature range for a further time between 1/2 hour and 11/2 hours in order to effect the proteolysis. The pH of the mash remains within the range of 5.0 to 6.0 during this time, but it has been found to decrease to some extent.
During proteolysis, proteins are broken down into polypeptides, peptones, and to some extent amino acids and other products.
An amylolytic enzyme such as liquid malt extract, fungal amylase or bacterial amylase is then added, and the like. the temperature is increased to 600 and 66 ° C. and kept within these limits for 1.4 hours to 2 hours. This causes liquefaction and partial saccharification of the corn starch. The temperature is then increased again, this time to a value between 680 and 720 ° C., and kept within these limits for approximately a 1% hour to 1 1 · hours in order to complete the saccharification.
Insoluble materials, such as grain fibers, are now removed from the mixture and the purified liquid is heated to a temperature between 820 and 1210 ° C. for a time which is approximately between 2 hours and 5 minutes. The liquid is then cooled to 660 to 820 ° C.
This heating destroys the enzymes and, together with the subsequent cooling, causes coagulation and excretion of some of the remaining proteins, as well as an additional increase in color and taste, partly as a result of the caramelization of the sugar present. The excreted substances are now separated from the liquid, for example in a centrifuge.
The grain extract thus formed can be used as it is, or it can be concentrated for storage or transportation. After separating the excreted protein substances, it can be used as a wort for beer production.
The process described above is cheaper than the previously used malting and mashing processes, and the requirements for the starting material are less strict than in malting processes. Therefore cheaper raw materials can be used.
The proteolysis can be arbitrarily controlled by changing the pH of the mixture, the amount of proteolytic enzyme added, the time of proteolysis, the temperature of the mixture, or some or all of these factors. In this way, the nitrogen properties of the end product can be largely determined. The process can be directed so that the desired amount of low molecular weight nitrogen compounds is obtained, and that the remaining excess of high molecular weight nitrogen compounds is removed by coagulation at high temperatures and by subsequent cooling, as described above. Two examples serve to explain the process according to the invention in more detail.
Example I 45.4 kg of finely ground barley was added to 109 liters of water. 68 ml of 32% hydrochloric acid were added in order to initially bring the pH of the water to 2.7 and then to bring the pH of the mixture to 5.6. The mixture was then heated to 500 ° C. and held at this temperature for 1 hour. This treatment causes peptization of the grain protein.
The proteolytic enzyme ficin was then added to the mixture in an amount of 0.024% of the total weight of the grain. The temperature of the mixture was held at 500 ° C. for an additional hour.
Amylolytic bacterial enzyme was then added in an amount of 0.074% of the total weight of the grain, the temperature of the mixture was increased to 630 ° C. and kept at this value for 1/2 hours. The temperature of the mixture was then increased to 700 ° C. and held at this value for 1 hour, after which the fibrous materials of the mixture were separated from the remaining solution. The remaining liquid was then heated to 1000 ° C. and held at this temperature for about 15 minutes in order to destroy all enzymes. The liquid was then cooled to 660 ° C., filtered and concentrated.
The amount of formolic nitrogen in the resulting malt extract was 383 mg / 100 ml at 100% total solids and the amount of total nitrogen was 1320 mg / 100 ml at 100% total solids.
Accordingly, the ratio of formolic nitrogen to total nitrogen (%) is 29.0%.
Example 2 45.4 kg of coarsely ground barley were added to 109 liters of water and 44.5 ml of 32% hydrochloric acid were added to bring the initial pH of the water to 2.7 and then the pH of the mixture to approximately 5 , 7, with a buffering effect caused by some constituents of the grain.
The mixture is then held at 500 ° C. for 1 hour.
The proteolytic enzyme bromeline is then added in an amount of 0.012% by weight of the total amount of the grain and the temperature is kept at 500 ° C. for 1 hour.
Then 0.074% by weight of the amylolytic bacterial enzyme was added and the temperature was increased to 630 ° C. and held at this value for 11/2 hours. The temperature was then increased again and held at 700 ° C. for 1 hour. The pulps were then separated from the mixture.
The resulting liquid was heated to the temperature of 1000 C for about 15 minutes and then cooled to the temperature of 660 C, filtered and concentrated.
The amount of formolic nitrogen in the product was 183 mg / 100 ml at 100% total solids and the amount of total nitrogen was 854 mg / 100 ml at 100% total solids. The ratio of the formolic nitrogen to the total nitrogen was 21.4%. During the two processes described above, the mash is constantly stirred.