CZ286339B6 - Způsob výroby škrobového hydrolyzátu s vysokým obsahem proteinu a glukózy - Google Patents

Abstract

Způsob výroby škrobového hydrolyzátu s vysokým obsahem proteinu a glukózy z nativní škrobové suspenze spočívá v tom, že nativní extrakt obilného enzymu s obsahem proteinu více jak 18 % hmotnostních v sušině a obsahem minerálních látek více jak 0,5 % hmotnostního v sušině, který obsahuje podíl proteinů ve formě nerozpustného glutenu a rozpustného proteinu, obsažených v mouce, buď samotný nebo ve směsi se suspenzí škrobu s podílem suspenze škrobu od 50 do 90 % hmotnostních ve směsi a s obsahem sušiny od 5 do 52 % hmotnostních, se za mírného míchání po dobu 1,0 až 14,0 hodin hydrolyzuje za použití alfa-amylázy a proteinázy za současného přídavku preparátu glukoamylázy a za využití již přítomných přírodních obilných beta-amyláz při reakční teplotě 45 .degree.C až 67 .degree.C a pH 4,0 až 6,8 až na 98 ekvivalentních jednotek dextrózy.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu výroby škrobového hydrolyzátu s vysokým obsahem proteinu a glukózy ze suspenze nativního škrobu, která obsahuje aglomerovaný gluten. Má tak být připraven obilný proteinový hydrolyzát s vysokým obsahem glukózy, vhodný jako přísada při přípravě nejrůznějších potravinářských výrobků a jako složka biotechnologických postupů.

Dosavadní stav techniky

Škrobové hydrolyzáty, neboli škrobové mazy, se tradičně připravují chemickými, fyzikálněchemickými nebo biochemickými metodami. Obvykle se škrob zmazovatí ve vodné suspenzi v prvním reakčním kroku. Zmazovatění škrobu značí v tomto případě odbourávání předem termicky zpracovaného škrobu na škrob se zlomky řetězců rozdílné délky. Vedle kyselé hydrolýzy rozlišujeme hydrolýzu zmazujícími a zcukerňujícími amylázami, které se získávají z bakteriových nebo plísňových kultur. Zkapalněné amylázy odbourávají termicky zklihovatělý škrob endogenně, tzn. zevnitř molekul, jednoznačně na dextriny. Tento reakční krok, který značně ovlivňuje další odbourávání polymemího škrobu na monomemí jednotky substrátu, se dosahuje např. tlakově-mechanickým působením kyseliny na suspenzi škrobu, jak je popsáno ve spise DE 2754924, nebo pomocí preparátů alfy-amylázy bakteriálního původu, což je zmíněno v DE 2216854. Při kontinuálním zmazovatění podle KROYER-ova principu, což je předmětem spisu BE 650378, se protlačuje suspenze úzkými kruhovitými mezerami mezi trubkami, vytápěnými parou, a suspenze se hydrolyzuje náhlou expanzí. Je také znám způsob podle zpracovávání různých druhů obilí ve vodných roztocích při 40 až 60 °C podle DE 2803030 za použiti alfaamyláz nebo glukoamyláz v časovém rozmezí 5 až 15 hodin a následným dělením vzniklých látek.

Tento první reakční krok, prováděný většinou při teplotách vyšších než 80 °C, je přípravou k dalšímu enzymatickému zcukematění. Při tomto druhém reakčním kroku se odbourávají exogenně, tzn. od konce molekuly, zlomky škrobových řetězců - dextriny, které vznikly působením alfa-amylázových bakterií, na glukózu. Technicky se tento druhý reakční krok provádí tak, že se suspenze dextrinu, vzniklá při prvním reakčním kroku, ochladí na 70 °C, nastaví na požadovanou hodnotu pH a zcukerňuje preparátem glukoamylázy nebo zcukerňující alfaamylázou nebo preparátem beta-amylázy. Zcukerňování probíhá obvykle při nižší teplotě než 70 °C, při hodnotě pH od 4,0 do 7,0 a v časovém rozmezí do 72 h, jak je popsáno ve FR 2351174.

Při hydrolytickém procesu metodou „CORN-PRODUCT“ podle NL 6414648 se pracuje bez zmazovatění, tzn. že zmazovatění škrobu a zcukemění probíhá zároveň. Suspenze škrobu se podrobí předběžné hydrolýze v kotli s tryskami při vysoké teplotě (140 až 180 °C) za turbulentního proudění. Na tento předhydrolyzát se po ochlazení na 65 °C působí směsí enzymů, která obsahuje jak alfa-amylázu, tak i beta-amylázu a/nebo glukoamylázu. I tento postup je vlastně dvoustupňový proces, u něhož se mohou oba reakční kroky jednoznačně rozlišit, a kdy se získají reakční produkty maltóza a glukóza.

Další cestou k získání příslušných uhlovodíkových produktů je použití speciálních plísňových amyláz. Pomocí těchto plísňových preparátů se umožní převedení škrobu do roztoku a jeho zcukematění jediným procesem, což je předmětem spisu BE 656171. Je také popsáno v EP 0171218, US 4612284 a US 4618579 přímé zcukematění kukuřičných škrobů za přídavku plísňové glukoamylázy při teplotách 50 až 60 °C k přípravě sirupů obohacených glukózou. Nevýhodou těchto postupů je, že 10 až 36 % hmotn. použitého škrobu nehydrolyzuje a zůstává

-1 CZ 286339 B6 tedy nerozpustným. Nerozpustný škrob se musí oddělit a při vyšší teplotě než 80 °C dále konvertovat. Proto se doporučuje ke zvýšení efektivity hydrolýzy, příp. speciálně ke zcukemění substrát, který byl zkapalněn kyselým nebo enzymatickým zředěním škrobu. Při tomto postupu se hydrolyzuje při pH 6,5 v rozpětí 12 až 30 hodin až do hodnoty DE 50 až 60 % hmotnostních obsahu maltózy. Výchozím substrátem pro tento proces je bakteriální alfa-amylázou zkapalněná suspenze škrobených zrn o hodnotě DE 19 a obsahu sušiny 33 % hmotn.

Bylo již navrženo působení alfa-amylázy, odolné vůči vyšším teplotám, na obilné škroby, a působení glukoamylázy. Je popsána příprava roztoku glukózy současnou konverzí škrobu alfaa glukoamylázou. Podstatnou nevýhodou této metody je nízký výtěžek glukózy a poměrně vysoký obsah nepřeměněného škrobu, který se musí po konverzi oddělit a převézt zpět do hydrolytického procesu. Dále neuspokojuje požadavky dlouhá reakční doba při tomto postupu, měřená stupněm konverze a nejednotné, široce rozptýlené spektrum uhlovodíků. Další nevýhodou této metody je použití drahé, vůči teplotě stabilní alfa-amylázy při pro tento enzym velmi nízké reakční teplotě od 50 do 60 °C. Ani tento postup nepřináší proti ostatním známým postupům žádný podstatný pokrok při vedení reakce. U všech uvedených postupů výslovně záleží na čistotě použitého preparátu škrobu a nízkém obsahu proteinů.

Z různosti používaných hydrolytických procesů plyne, že proces odbourávání škrobu a jeho zcukemění je vždy dvoustupňový proces s výlučným použitím externích enzymatických preparátů, který vyžaduje značnou energii a čas.

Podíl proteinů, obsažený v pšenici, především kohezivně elastický gluten je přírodní látkou, se kterou se špatně pracuje. V popsaných známých postupech pro modifikaci glutenu, příp. pro jeho zkapalnění je cílem této modifikace většinou zlepšení kvality potravin nebo optimalizace procesů. K tomuto cíli vedou čtyři cesty:

1. odbourání proteinů vlastními proteinázami, obsaženými v potravině,

2. odbourání proteinů fermentačními procesy,

3. odbourání proteinů přídavkem proteináz,

4. odbourání proteinů působením kyselin a zásad.

V praxi bývají tyto modifikace nejrůzněji obměňovány. Tak se dosahuje např. při přípravě piva aktivace vlastních i přidaných mikrobiálních enzymů při sladování a rmutování přestavby a silného odbourání proteinů. Dále se využívá ke zlepšení vlastností těst z pšeničné mouky při pečení přídavek vhodných komplexních enzymů. Při této slabé proteolýze nastávají jenom velmi nepatrné změny molekulárních hmotností u delších řetězců. Přesto má toto nepatrné odbourávání, podmíněné působením enzymů, při přípravě pečivá velký význam. Podstatně hlubšího hydrolytického účinku se dosahuje použitím koncentrovaných minerálních kyselin, například působením kyseliny chlorovodíkové na vlhký gluten při přípravě koření a aromatických látek. Takovéto hydrolyzáty jsou výchozími látkami při získávání derivátů kyseliny glutamové.

Známá je také změna Teologických vlastností působením kyseliny siřičité a jejich solí, jakož i fyzikálně rozpuštěného kysličníku siřičitého ve vodě. Při působení těchto chemikálií nastává přeměna konzistence z houževnatě pružné na pastovitou až drolivou.

Použití čpavku nebo amoniakálních vodných roztoků k reverzibilním změnám konzistence pšeničného proteinu je možné. Tato varianta zmazovatění lepku je výhodná na základě možné obnovy vitality proteinu. Obtížný je značný zápach čpavku při dalším zpracování.

Všechny tyto postupy jsou následkem svých nedostatků nevhodné, např. pro průběh totální hydrolýzy při kyselé hydrolýze nebo pro vysoké provozně-technické náklady, kde je vysoká spotřeba enzymů. Jsou nevhodné pro zpracovávání glutenu mikrobiologickými kulturami, které produkují kyselinu mléčnou - způsobuje rozrušení biologického účinku i pro zkapalnění lepku

-2CZ 286339 B6 a jeho další využití jako cenné potraviny. Postupy s cílem zkapalnění glutenu předpokládají použití víceméně separovaného, mechanicky mokrou cestou vyčištěného, drahého, vlhkého glutenu.

Podstata vynálezu

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby škrobového hydrolyzátu, bohatého na protein a glukózu, jehož podstata spočívá v tom, že nativní extrakt obilného enzymu, bohatý na proteiny a minerální látky, který obsahuje podíl proteinů ve formě nerozpustného glutenu a rozpustného proteinu, obsažených v mouce, buď samotný nebo ve směsi se suspenzí škrobu v poměru od 50 do 90 % hmotnostních ve směsi, a s obsahem sušiny od 5 do 52 % hmotnostních, je za mírného míchání 1,0 až 14,0 hodin hydro lyžován k přípravě škrobového hydrolyzátu s vysokým obsahem glukózy za použití jak alfa-amylázy, tak proteinázy za současného přídavku preparátu glukoamylázy a za využití již přítomných přírodních obilných beta-amyláz při reakční teplotě 45 až 67 °C a pH 4,0 až 6,8 až na 98 ekvivalentních jednotek dextrózy. Pod pojmem bohatý na proteiny a minerální látky se míní extrakt obilného enzymu s obsahem proteinu více jak 18 % hmotnostních v sušině a obsahem minerálních látek více jak 0,5 % hmotnostních v sušině.

Je výhodné, použije-li se extrakt obilného enzymu (GEI), připravený vícefázovou dekantací suspenze s obsahem 25 až 40 % hmotnostních obilné mouky s podílem jemnozmného škrobu od 40 do 90 % hmotnostních v sušině, nebo s celkovým obsahem sušiny od 5 do 15 % hmotnostních, obsahem surového proteinu od 10 do 60% hmotnostních v sušině a s obsahem betaamylázy od 2000 do 4000 U/g sušiny. Pod pojmem vícefázová dekantace se rozumí kontinuální oddělování suspenze obilné mouky pomocí dekantovací odstředivky na sediment a alespoň dvě ve své hustotě rozdílné odstředěné frakce. Jako extrakt obilného enzymu se používá lehčí odstředěná frakce.

S výhodou se k extraktu obilného enzymu (GE I) přimíchává okamžitě celá během dekantace odpadávající glutenová frakce, takže se využije k hydrolýze všechen v obilné mouce přítomný gluten. Škrob určený ke konverzi se může přidávat až do obsahu sušiny 10 až 35 % hmotnostních.

Do této suspenze se přidá alfa-amyláza v množství od 0,1 do 0,3 % hmotnostních a zároveň proteáza a glukoamyláza vždy ve stejném hmotnostním podílu, vztaženo na škrobovou sušinu. Tato suspenze se za mírného míchání zahřívá v parním injektoru rychlostí 1 až 3 K/min na reakční teplotu 60 až 67 °C. Výhodné je také použít bakteriální alfa-amylázu.

S překvapením bylo zjištěno, že při použití této kombinace enzymů se podíl škrobu, který je přítomný v suspenzi, zcela hydrolyzuje během zahřívání při pH od 4,5 do 6,8 v jediné operaci na roztok s vysokým obsahem glukózy a přítomný podíl proteinů se zcela hydrolyzuje při dalším průběhu reakce. Pro postup podle vynálezu je typické, že vznikající uhlovodíkové spektrum obsahuje vždy jen uhlovodíky glukózy - 96 až 98% hmotnostních, a maltózu 4 až 2% hmotnostní. Hydrolytický proces podle vynálezu šetří čas a energii a poskytuje jen málo reverzibilních produktů. Tím jsou definovány možnosti dalšího zpracování těchto látek, ať už obvyklými čisticími procesy, tak moderními chromatografickými a membránovými dělicími procesy. Další předností tohoto procesu je, že je možno připravit extrakt obilného enzymu jako zdroj enzymu, a to nejjednodušším způsobem, není zapotřebí nákladné technologie.

Postupem podle vynálezu je možné převést obtížně dostupný obilný protein krátkým procesem do velmi výhodné, pro potravinářství příhodné formy.

Postup podle vynálezu je vysvětlen následujícími příklady:

-3CZ 286339 B6

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Tento příklad popisuje výrobu extraktu obilného enzymu způsobem podle nároku 2.

Ze suspenze, obsahující 30 % hmotnostních obilné mouky, temperované před dělením na 35 až 40 °C po dobu 10 až 30 min, se vícefázovou dekantací připraví extrakt obilného enzymu (GE I). Tento extrakt se okamžitě smíchá s celou frakcí glutenu, odpadající při dekantaci, takže veškerý gluten obsažený v mouce se hydrolyzuje. Tento následný krok koresponduje s údaji ve význaku nároku 3.

Suspenze obsahuje:

sušiny: 12,6 % hmotn., hodnota pH: 5,8, škrobu v sušině: 61,0 % hmotn., viskozita, mPas: 21,7, proteinů (N x 6,25): 21,0 % hmotn., obsah beta-amyláz: 3150 U/g sušiny.

Jak je zřejmé, zde neprobíhá žádný dodatečný přídavek enzymů.

Příklad 2

V dalším je popsána hydrolýza proteinem obohaceného extraktu obilného enzymu, vyrobeného způsobem podle nároků 2 a 3, v souladu s kroky, definovanými v nárocích 1, 3 a 4. Postup se použije k přípravě škrobového hydrolyzátu, bohatého na glukózu.

Ve vytápěném reakčním kotli se připraví 500 kg suspenze podle příkladu 1 a k ní se přidá 0,1 % hmotnostního bakteriální alfa-amylázy, 0,1 % proteázy a 0,1 % hmotnostního glykoamylázy, vztaženo na škrobovou sušinu. Suspenze se vyhřeje parním injektorem za mírného míchání po dobu 60 minut na požadovanou teplotu 65 až 67 °C. Okamžitě po dosažení této reakční teploty se hydrolyzát odstředí. Analýza hydrolyzátu pšeničného škrobu uvádí:

spektrum uhlovodíků

DE-hodnota: 81,9.

glukóza: maltóza: maltotrióza:

64.1 % hmotnostních,

33.2 % hmotnostních,

2,2 % hmotnostních.

Analýza hydrolyzátu pšeničného škrobu po třech hodinách spektrum uhlovodíků glukóza: 90,1 % hmotnostních, maltóza: 9,8 % hmotnostních, maltotrióza:

Poté se reakční směs temperuje 12 hodin za mírného míchání při teplotě mezi 30 a 60 °C. Následující analýza hydrolyzátu pšeničný škrob - gluten uvádí:

obsah sušiny: 12,5 % hmotnostních, obsah pevných uhlovodíků v sušině: 89,1 % hmotnostních,

-4CZ 286339 B6 viskozita při 35 °C v mPas: 25,4, obsah proteinů: 22,3 % hmotnostních, DE-hodnota: 98,1, pH 5,8,

spektrum uhlovodíků:

glukóza: 96,1 % hmotnostních, maltóza: 3,8 % hmotnostních, maltotrióza: -,

Pro lepší názornost je připojena tabulka, názorně zobrazující souvislosti mezi příkladem 2 a skutečnostmi, nárokovanými v podstatě vynálezu, resp. v patentových nárocích.

	nárok 1	nárok 3	nárok 4	příklad 2
Sušina	5 až 42 % hmotn.			12,6 % hmotn.
Reakční doba	1 až 14 hodin			12 hodin
Reakční teplota	45 až 67 °C	60 až 67 °C		65 až 67 °C
Alfa-amyláza		0,1 až 0,3 % hmotn.	bakteriální	bakteriální 0,1% hmotn.
Hodnota pH	4,5 až 6,8			použití extraktu z příkl. 1
Dosažené spektrum uhlovodíků	45 až 50 ekviv. jedn. dextrózy			viz. detailní spektrum
Přídavek glutenu		celá frakce glutenu z dekantace		obsah proteinu 22,3% hmotn.

Aglomerovaný gluten, suspendovaný v roztoku před hydrolýzou, nebylo možno odstředěním usadit. Hydrolyzát se dal bez problémů usušit a opět beze zbytků resuspendovat. Hydrolýzu je možno provádět bez velkých nákladů v nejrůznějších, v chemické technice a potravinářství používaných reaktorech. Škrobový hydrolyzát je možno zpracovat současně používanými způsoby na sušený produkt: v odparkách nebo v rozprašovacích sušárnách.

Průmyslová využitelnost

Hydrolýzu je možno provádět v nejrůznějších chemických a potravinářských reaktorech.

Claims (4)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Způsob výroby škrobového hydrolyzátu, obohaceného proteinem a glukózou, vyznačující se tím, že nativní extrakt obilného enzymu s obsahem proteinu více jak 18 % hmotnostních v sušině a obsahem minerálních látek více jak 0,5 % hmotnostního v sušině, který obsahuje podíl proteinů ve formě nerozpustného glutenu a rozpustného proteinu, obsažených v mouce, buď samotný nebo ve směsi se suspenzí škrobu s podílem suspenze škrobu od 50 do 90 % hmotnostních ve směsi a s obsahem sušiny od 5 do 52 % hmotnostních, se za mírného míchání po dobu 1,0 až 14,0 hodin hydrolyzuje za použití jak alfa-amylázy, tak proteinázy za současného přídavku preparátu glukoamylázy a za využití již přítomných přírodních obilných beta-amyláz při reakční teplotě 45 °C až 67 °C a pH 4,0 až 6,8 až na 98 ekvivalentních jednotek dextrózy.
2. 2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že se jako nativní extrakt obilného enzymu použije extrakt obilného enzymu, připravený vícefázovou dekantací suspenze, obsahující 25 až 40 % hmotnostních obilné mouky s podílem 40 až 90 % hmotnostních jemnozmného škrobu v sušině, s celkovým obsahem sušiny 5 až 15 hmotnostních s obsahem surového proteinu od 10 do 60 % hmotnostních v sušině a s obsahem beta-amyláz od 2000 do 4000 U/g sušiny.
3. 3. Způsob podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, žesekextraktu obilného enzymu přimíchá celá frakce glutenu, odpadající při dekantaci, ktéto suspenzi se přidávkuje škrob, určený ke konverzi, až do obsahu 10 až 35 % hmotnostních sušiny, ktéto suspenzi se přidává alfa-amyláza v množství od 0,1 do 0,3 % hmotnostního a současně se přidává glukoamyláza o stejném hmotnostním podílu, vztaženo na škrobovou sušinu, a takto vzniklá suspenze se zahřívá za mírného míchání přímou parou v injektoru rychlostí 1 až 3 K/min až k teplotě 60 až 67 °C.
4. 4. Způsob podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že se použije bakteriální alfa-amyláza.