CN103269603A - 植物蛋白水解产物 - Google Patents

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Abstract

用于生产植物蛋白水解产物的膜反应器,所述膜反应器包含适于将植物蛋白底物提供给酶源的底物容器,包含酶源的连续搅拌反应器以及包含具有分子截断的膜的超滤组件,其中所述膜适于允许植物蛋白水解产物通过而保留酶。

Description

植物蛋白水解产物
技术领域
本发明涉及形成植物蛋白水解产物的植物蛋白水解。特别地,本发明涉及装置和该装置用于生产植物蛋白水解产物的用途。本发明还涉及用于生产植物蛋白水解产物的方法。
背景
蛋白水解产物如氨基酸和肽在食品技术中具有应用。使用的蛋白水解产物为食品提供了味道活性成分。
通过蛋白质水解生产蛋白水解产物。因此,蛋白质水解产物可包括通过蛋白质水解而获得的氨基酸和肽。
酶用于蛋白质的水解的用途是已知的方法。在分批方法中,通常将酶与蛋白质混合以形成蛋白水解产物。然而,由于不能从混合物收集,分离和再使用酶,因此在分批方法中酶的使用可以是消费高的。此外,酶的成本可以多达总原料成本的50%。因此,用于蛋白质水解的分批方法有它的缺点。
超滤(UF)是使用膜将小分子,如氨基酸和肽从蛋白水解产物的混合物分离的方法。分离的基础是分子大小排阻使得颗粒如氨基酸和肽保留在膜上,而混合物的其它组分如盐和水通过膜。因此,UF帮助了氨基酸和肽蛋白的浓缩。然而,UF有缺点并且UF的有效性强烈地依赖于操作参数和水解产物特征。操作参数可以是,例如,跨膜压、膜截断、切向流体速度以及系统的流体动力学。水解产物的特征可以是例如,pH、粘度、颗粒大小以及盐的浓度。就是说,目前的超滤技术要求处理许多因素以实现蛋白水解产物的有效分离和隔离,所述因素的处理是复杂且繁琐的。
植物蛋白是部分地不可溶于水的。植物蛋白的结构相对地大。未打算或考虑将植物蛋白扩散到固定化基质,如固定化的酶床中。因此,固定化的酶对于植物蛋白水解的有效性较差。
然而,已知固定化的蛋白酶用于从肽生产蛋白水解产物的用途。然而,由于缺乏有效性和可行性,此类系统仍然是受到阻碍的(参见例如Walsh,M.,K.,Immobilized enzyme for food applications,in Novel enzymetechnology for food applications,R.Rastall,编.2007,CRC Press LLC:Boca Raton.第60-84页)。
因此,本发明的目的是提供装置和用于生产植物蛋白水解产物的方法,其至少部分地克服了上述缺点中的一个或多个的,或者至少提供了有用的备选。
发明概述
在第一方面中,本发明涉及用于生产植物蛋白水解产物的膜反应器,所述膜反应器包含:
a)底物容器,其适于将植物蛋白底物提供给酶源,
b)连续搅拌的反应器,其包含酶源;和
c)超滤组件,其包含具有分子截断的膜,其中膜适于允许植物蛋白水解产物通过而保留酶。
在本发明优选的实施方案中,膜反应器还包含:
a)第一循环回路,其能够将植物蛋白底物和酶源的混合物从连续搅拌的反应器转移到超滤组件中,并且能够使至少一些混合物返回到连续搅拌的反应器中;和
b)第二循环回路,其能够使从第一循环回路接收的混合物通过膜或越过膜循环,并且能够使至少一些混合物返回到第一循环回路。
在第二个方面,本发明涉及膜反应器用于生产用于食品的植物蛋白水解产物的用途。
在另一方面,本发明提供了用于生产在食品中使用的植物蛋白水解产物的方法,该方法包括:
a)提供植物蛋白的悬浮液,
b)将酶加入到植物蛋白的悬浮液中以形成混合物,使得发生植物蛋白水解,
c)通过超滤组件过滤所得到的混合物,所述超滤组件包含具有分子截断的膜;和
d)收集滤液,其包含用作食品的植物蛋白水解产物。
优选地,方法的步骤c)包括使混合物在连续搅拌的反应器和超滤组件之间循环,使得一些混合物从超滤组件返回到连续搅拌反应器中,且一些混合物通过膜或或越过膜循环。
在另一方面,本发明提供了通过本发明的方法可获得的植物蛋白水解产物,其中所述植物蛋白水解物是用于食品的增强味道的化合物。
附图简述
图1显示了用于开发根据本发明的一个方面的膜反应器技术的操作窗口的图示。
图2显示了使用根据本发明的一个方面的膜反应器酶促水解植物蛋白的装置图。
图3显示了在用植物蛋白测试陶瓷膜期间,在具有5纳米截断的交叉流过滤组件的膜中收集的级分中的相对酶活性[%]。
图4显示了使用1-γ-谷氨酰基-对-硝基苯胺水解测定法(T57±1℃且pH5.0±0.2)测定的谷氨酰胺酶活性的温度稳定性。
图5显示了在小麦谷蛋白水解期间,在底物的存在下使用1-亮氨酸-对-硝基苯胺测定法(T57±1℃和pH5.0±0.2)测定的蛋白酶的活性随着时间的温度稳定性。
图6显示了在使用根据本发明的方面的10kDa、5kDa和1kDa的分子量截断膜进行的实验室规模的酶膜反应器实验中随着时间的植物蛋白水解产物产量[g/L*h]。
图7显示了与应用相同的酶浓度和相同大小的膜反应器(50L)相比,从酶膜反应器释放的氨基酸增加。(pH5.0,T50℃)。
图8显示了植物蛋白水解产物的氨基酸谱。本发明的植物蛋白水解产物是天然平衡的肽和氨基酸的混合物。
图9显示了HPLC分析,其显示根据本发明的膜反应器的植物蛋白水解产物与分批方法的植物蛋白水解产物无显著差异。
图10至图14显示了使用双回路酶膜系统方法的产量和酶稳定性结果。
发明详述
在第一方面中,本发明涉及用于水解植物蛋白以形成植物蛋白水解产物的膜反应器。该膜反应器组合酶固定化(例如,较低的酶底物比)和酶的分批系统的优点(例如,良好的酶/底物接触)。膜反应器使得能够大规模水解植物蛋白以形成植物蛋白水解产物。
膜反应器优选地包含双回路系统。该系统具有两个循环回路。一个回路在大气压附近下操作,并且将植物蛋白材料和酶的混合物从收集槽(或底物容器)转移到第二循环回路。大部分混合物通至第二循环回路,但在连续方法中一些混合物循环返回至收集槽。对通至第二循环回路的混合物进行超滤。第二循环回路在1至8巴,优选为6巴的压力下操作,以强制混合物以很高的速度(2到10米/秒)通过或越过滤膜。原因是避免在膜上形成底物的污垢层。膜具有合适的截断大小(1-20nm,优选地5nm)的孔,能够使本发明的植物蛋白水解产物材料通过膜(滤液)。未通过膜的材料(保留物)在第二循环回路中循环。
膜反应器提高了植物蛋白水解的效率。通过酶的催化活性的再使用导致了更好的酶/植物蛋白比而增加了效率。此外,植物蛋白水解产物的去除使酶促作用或微生物发酵的平衡朝向植物蛋白水解物移动。因此,植物蛋白水解的效率由以下三个因素限定:
·时间-空间-产量[g/L/h]
·酶/植物蛋白水解产物比[nkat/g]
·植物蛋白/植物蛋白水解产物比[%-w/w]
因此,分批方法的方法效率值指的是可以定义用于半连续的膜生物反应器系统的操作窗口,从其可以推断出膜反应器的技术目标。图1表示开发半连续的膜生物反应器系统的操作窗口,由于酶的微生物稳定性,将所述操作窗口限制为20小时。此外,图1显示操作窗口的图示,所述操作窗口用于酶促水解植物蛋白小麦谷蛋白的膜反应器技术的开发。因此,从图1中确定,酶:植物蛋白比(左y轴,连续线)必须低于2%w/w,例如由弯曲的连续线所表示的典型的膜生物反应器的曲线,在这种情况下,所述曲线在6小时时通过盈亏平衡点。空间产率随着时间(右y轴)必须高于较低的虚线,例如由上部的虚线所显示的。
从图1中所确定的操作窗口是起点,其用于设定实验参数以测试使用膜反应器生产植物蛋白水解产物的方法的可行性。
图2中显示了膜反应器的示例性实施方案图。图2中也显示了用于保存底物的容器。底物是植物蛋白例如,小麦谷蛋白的悬浮液。然后将植物蛋白底物进料到其中也存在着酶的连续搅拌的反应器(CSTR)中,以形成混合物。CSTR确保植物蛋白和酶的悬浮液的均质的混合物,并因此提供了用于水解的植物蛋白以形成植物蛋白水解产物的最佳条件。水解之后,可以进行固体物质和液体物质的分离。然后将固体物质和液体物质分离之后的任何固体物质返回到CSTR。然后将所得到的含有植物蛋白水解产物的混合物送至UF组件。UF组件具有有分子截断(MCO)的膜。具有MCO的膜决定哪些植物蛋白水解产物通过膜。因此,可以使用不同的膜。UF组件具有10巴的跨膜压力(TMP)。植物蛋白水解产物如氨基酸和肽通过UF组件,并且可以被收集。未通过UF组件的保留物返回到CSTR并重复该过程。应理解膜反应器不是封闭的系统,并可以连续地补充更多的材料以形成植物蛋白水解产物。
在过滤之前将固体物质和液体物质从来自CSTR的混合物中分离的优点是避免不可溶物质污染并进入UF组件的膜。固体物质和液体物质的分离降低了膜污染的风险,并增加了植物蛋白水解产物的输出。可以通过例如但不限于,如本领域中已知的分离技术,如离心和金属流线式滤器实现固体物质和液体物质的分离。
膜反应器中还可以包括电透析系统(未显示)。电透析系统通过应用穿过膜的电势差运行,使得电荷穿过膜以导致极性分子如氨基酸通过膜的扩散。电透析系统能够从植物蛋白水解产物分离氨基酸和肽。
根据本发明的一个方面,将植物蛋白小麦谷蛋白与水混合,得到的悬浮液中的植物蛋白为0.5至50%(w/w)之间,优选地为0.5%至22%(w/w)之间,更优选为5至10%(w/w)之间。观察到当悬浮液中的植物蛋白为0.5%至22%(w/w)之间时,存在泵送性质的改善和膜污染的减少。为维持酶作用的稳定性,通过加入乙酸将水悬浮液中的植物蛋白的pH值调节至pH5。备选地,为维持酶作用的稳定性,将水悬浮液中的植物蛋白加热。加热水悬浮液中的植物蛋白是优选的,因为加热提供了植物蛋白与酶的改进的可接近性,并使得酶具有更高的酶活性和微生物稳定性。将具有与形成植物蛋白水解产物比率相等的比率的小麦谷蛋白悬浮液转移到连续搅拌反应器中,以确保连续生产植物蛋白水解产物。在CSTR中,存在20-5000nkat/L的酶(或酶混合物),用于将植物蛋白水解为肽和氨基酸。进入UF组件的混合物处于交叉流模式,跨过膜(如陶瓷膜)循环,所述膜的孔大小足够大以避免混合物中存在的颗粒阻塞通道。UF组件的膜的孔大小必须足够小,以保留酶和植物蛋白,但是必须足够大以允许蛋白水解产物通过膜。
可理解的是,在生产植物蛋白水解产物后,可干燥植物蛋白水解产物。
植物蛋白水解产物用于为食品提供味道活性成分。
用植物蛋白测试了具有5纳米分子截断孔大小的UF装置的陶瓷膜的酶保留。在本发明的多个方面中,UF装置的膜可以具有1到20纳米之间的分子截断孔大小。测试的目的是评估在植物蛋白的存在下(10%w/w的小麦谷蛋白),工艺的蛋白酶混合物(风味蛋白酶(flavorzyme),[E]264nkat/L Leu-p-Na)通过膜。膜的酶保留对于用于水解植物蛋白的膜生物反应器的技术可行性是重要的。结果显示于图3,其中可见在3小时的时间中无明显的酶活性的丧失。
此外,在过程条件下(57±1℃和pH5.0±0.2,在底物的存在下)通过水解显色底物L-γ-谷氨酰基-对-硝基酰基苯胺(GpNA)测试谷氨酰胺酶活性的稳定性。稳定性研究的结果显示于图4。因此,在8小时的加工时间中谷氨酰胺酶的活性是稳定的,这与早期发现一致(参见Mohamed i.Mahmoud,C.T.C.,Protein Hydrolysates as Special Nutritional Ingredients.Novel Macromolecules in Food Systems,2000:第181-215页)。
使用亮氨酸对硝基苯胺法和小麦谷蛋白底物(参见Deeslie,M.C.a.W.D.,Soy Protein Hydrolysis in Membrane Reactors.JAOCS,1983.60(6):第1112-1115页)测定蛋白酶风味蛋白酶(可从Novozymes A/S获得)的酶活性。起始活性是264nkat/L。图5显示了在8小时中,在57±1℃,pH值为5.0±0.2下,使用亮氨酸对硝基苯胺法测量的风味蛋白酶的相对酶活性。在24小时后,在57±1℃下,相对的风味蛋白酶活性仍然是71±6%,这表明每小时酶活性的损失略多于1%。图5说明在方法条件下酶活性是稳定的。下降的反应速率(图7的三角线)的原因是产物抑制。通过经由膜去除产物,避免了产物抑制并且增加了反应器和酶的效率。
使用膜反应器和10kDa的滤器以及浓度为0.5%(w/w)的小麦谷蛋白底物进行的实验室测试显示了用于酶水解小麦谷蛋白的膜反应器的原理的证据。因为在20小时中使用的底物的量是1克,而总产物的产量是0.51克,所以膜反应器的产物/底物比为51%。使用10kDa的分子量截断(MWCO),在具有绝对量相同的酶(0.89nkat/g),但是总反应体积为50mL(与0.25克的底物量相关)的相同条件下进行的分批水解导致的产物/底物比为70%,这是因为产物的产量是0.18克。因此,根据本发明,酶的使用效率增加了几乎3倍。结果显示于图6。图6在顶部曲线中显示使用10KDa的MWCO和一定量的酶/植物蛋白水解产物比(21nkat/g)的结果。图6在中部曲线中显示使用5KDa的MWCO和一定量的酶/植物蛋白水解产物比(21nkat/g)的结果。图6显示在底部曲线中使用1KDa的MWCO和一定量的酶/植物蛋白水解产物比(21nkat/g)的结果。
当然,本发明的植物蛋白可以来自除了乳清外的植物蛋白的其他来源。植物蛋白的来源可包括,但不限于,来自大豆、玉米、马铃薯、豌豆或木薯的植物蛋白。
本发明的酶可以是个单种酶或酶的混合物。酶可以是内肽酶、外肽酶、谷氨酰胺酶和来源于担子菌纲的酶中的至少一种酶。
此外,也评估了试验性工厂规模的技术可行性。如图7中所示,当应用相同大小的膜反应器和相同的酶浓度时,显示了氨基酸的释放随时间显著增加。进一步优化操作条件,将导致更好的氨基酸产量。
在图8中显示了植物蛋白水解产物的氨基酸谱。确定植物蛋白水解产物的氨基酸谱不包含残留的植物蛋白,至少10%的植物蛋白水解产物的肽含有2至5个氨基酸,游离氨基酸的量高于30%。
如图9中所示,HPLC分析显示,植物蛋白水解产物与分批方法的植物蛋白水解产物无显著差异。图9的顶部线显示来自工厂生产样品的经过滤的小麦谷蛋白水解产物(经0.45μm过滤)。中间线显示以实验室规模分批生产的用于比较的小麦谷蛋白水解产物(经10kDa过滤)。底部线显示来自使用10kDa MWCO膜的膜反应器实验的10小时样品。
本发明包括用于粉末的润湿、酶动力学的理解(生物转化)、膜生物反应器技术(分级分离和膜技术)、感觉分析的现有科学和技术水平,以及了解消费市场趋势研究和产品应用中的最近趋势。
本发明提供了能量效率和操作简单性、高的运输选择性、大的操作灵活性和环境相容性。本发明还提供了用于增强的分子分离和化学转化的方法,其克服了传统的工业方法存在的限制。
本发明的优点表明所应用的酶在植物蛋白水解结束时仍是有活性的。在分批方法中的酶在蛋白水解结束时需要被灭活。因为酶促(也称为生物催化性的)功能是催化性的,所以在植物蛋白水解期间或之后通过保留或恢复酶可以获得酶的更有效的利用是合乎逻辑的。
本发明使得能够根据大小将植物蛋白水解产物分级分离和浓缩。尤其在宁愿不消费源自动物的蛋白水解产物的素食消费者的情况下,植物蛋白水解产物的优势是消费者的观念。此外,以天然方式生产植物蛋白水解产物。
在本说明书中所用的词语“包含”、“包括”和相似的词语,不是以排他或详尽的意义加以解释的。换句话说,所述词语意指“包括但不限于”。
此外,在本说明书中对现有技术文献的任何参考并非旨在承认它们是广泛已知的或是形成本领域的公知常识的一部分。
实施例
参考下面的实施例进一步说明本发明。将理解的是,不是旨在通过这些实施例以任何方式限制要求保护的本发明。
实施例1
在这个实施例中,以半连续模式(每2小时除去600mL滤液)以以下的方法参数运行双回路酶膜系统:跨膜压力3±0.5巴、膜速度4-6m/s、反应器体积2L、风味蛋白酶TM(FlavourzymeTM):1g/L、小麦谷蛋白10克/升、pH值5、T50℃。在图10中显示了本实验中的产量和酶的稳定性。
实施例2
在这个实施例中,以半连续模式(每2小时除去600mL滤液)以以下的方法参数运行双回路酶膜系统:跨膜压力3±0.5巴、膜速度4-6m/s、反应器体积2L、风味蛋白酶TM(FlavourzymeTM)TM:5g/L、小麦谷蛋白10克/升、pH5、T40℃。在图11中显示了本实验中的产量和酶的稳定性。
实施例3
在这个实施例中,以半连续模式(每2小时除去600mL滤液)以以下的方法参数运行双回路酶膜系统:跨膜压力3±0.5巴、膜速度4-6m/s、反应器体积2L、风味蛋白酶TM(FlavourzymeTM)TM:5g/L、小麦谷蛋白20克/升、pH7、T50℃。在图12中显示了本实验中的产量和酶的稳定性。应用了最优的酶底物比和对于酶活性和稳定性的良好条件的组合的事实可以解释相对较高的产量。
实施例4
在这个实施例中,以半连续模式(每2小时除去600mL滤液)以以下的方法参数运行双回路酶膜系统:跨膜压力3±0.5巴、膜速度4-6m/s、反应器体积2L、风味蛋白酶TM(FlavourzymeTM)TM:5g/L、小麦谷蛋白20克/升、pH5、T30℃。在图13中显示了本实验中的产量和酶的稳定性。
实施例5
在这个实施例中,以半连续模式(每2小时除去600mL滤液)以以下的方法参数运行双回路酶膜系统:跨膜压力3±0.5巴、膜速度4-6m/s、反应器体积2L、风味蛋白酶TM(FlavourzymeTM)TM:5g/L、小麦谷蛋白20克/升、pH5、T30℃。在图14中显示了本实验中的产量和酶的稳定性。由于与相对较高的底物负载相比酶活性相对较低,6小时后,因为底物阻塞了膜,该实验不得不停止。
应当理解尽管参考具体的实施方案已经描述了本发明,可以进行变化和修改而不背离权利要求中限定的本发明的范围。此外,如果存在具体特征的已知等同物,将此类等同物并入本文,如同在本说明中具体引用了所述等同物。

Claims (16)

1.用于生产植物蛋白水解产物的膜反应器,所述膜反应器包含:
a)底物容器,所述底物容器适于将植物蛋白底物提供给酶源,
b)连续搅拌的反应器,所述反应器包含酶源;和
c)包含具有分子截断的膜的超滤组件,其中膜适于允许植物蛋白水解产物通过而保留酶。
2.如权利要求1中要求保护的膜反应器,所述膜反应器还包含:
a)第一循环回路,其能够将植物蛋白底物和酶源的混合物从连续搅拌的反应器转移到超滤组件中,并且能够使至少一些混合物返回到连续搅拌的反应器中;和
b)第二循环回路,其能够使从第一循环回路接收的混合物通过或越过膜循环,并且能够使至少一些混合物返回到第一循环回路。
3.如权利要求2中要求保护的膜反应器,其中在大气压下或接近大气压下运行第一循环回路,并且在1至8巴,优选地6巴的压力下运行第二循环回路。
4.如权利要求1至3中任一项要求保护的膜反应器,所述膜反应器还包含加热装置,所述加热装置适于将连续搅拌的反应器的内含物的温度维持在25℃和75℃之间。
5.如权利要求1至4中任一项要求保护的膜反应器,所述膜反应器还包含电透析系统。
6.如权利要求1至5中任一项要求保护的膜反应器,所述膜反应器还包含分离装置,所述分离装置能够从植物蛋白水解产物分离不可溶物质。
7.如权利要求1至6中任一项要求保护的膜反应器,其中膜具有1到20纳米,优选地5纳米的孔大小。
8.如权利要求1至8中任一项要求保护的膜反应器,其中酶是内肽酶、外肽酶、谷氨酰胺酶或来源于担子菌纲的酶,或其任意组合。
9.如权利要求1至8中任一项要求保护的膜反应器在生产用于食品的植物蛋白水解产物中的用途。
10.用于生产在食品中使用的植物蛋白水解产物的方法,所述方法包括:
a)提供植物蛋白的悬浮液,
b)将酶添加到植物蛋白的悬浮液中以形成混合物,如此使得发生植物蛋白水解,
c)通过超滤组件过滤所得到的混合物,所述超滤组件包含具有分子截断的膜;和
d)收集滤液,所述滤液包含用作食品的植物蛋白水解产物。
11.如权利要求10中要求保护的方法,其中步骤c)包括将混合物在连续搅拌的反应器和超滤组件之间循环,如此使得一些混合物从超滤组件返回到连续搅拌的反应器中并且一些混合物通过或越过膜循环。
12.如权利要求10或权利要求11中要求保护的方法,其中植物蛋白的悬浮液包含0.5至50%(w/w)的植物蛋白。
13.如权利要求10至12中任一项要求保护的方法,其中植物蛋白来源于小麦、大豆、玉米、马铃薯、豌豆或木薯。
14.如权利要求10至13中任一项要求保护的方法,其中酶是内肽酶、外肽酶、谷氨酰胺酶或来源于担子菌纲的酶,或其任意组合。
15.如权利要求10至14中任一项要求保护的方法,其中在过滤之前,优选地通过离心或流线式滤器,从混合物分离不可溶物质。
16.可通过权利要求10至15中任一项的方法获得的植物蛋白水解产物,其中植物蛋白水解产物是用于食品的增强味道的化合物。
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