DD113993B1

DD113993B1 - Verfahren und vorrichtung zur gewinnung von proteinen

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Publication number: DD113993B1
Authority: DD
Publication date: 1983-07-27

Description

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Erfinder: Dr. Klaus-Dieter Schwenke Dr. Gerhard Mieth Dr. Oürgen Kroll Dr. Ooachim Pohl Dr. Oürgen Brückner

Rolf Eispaß Verfahren zur Gewinnuno, von Proteinen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Proteinen, insbesondere von Globulinen und Albuminen,mit bestimmten funktioneilen Eigenschaften aus entfettetem bzw. fettarmem Samenmaterial von Dlsamen und Leguminosen, vorzugsweise aus Sonnenblumen-oder Rapssamen für Nahrungszwecke·

Das übliche Verfahren zur Gewinnung von Proteinen aus Pflanzensamen besteht in einer Extraktion des entfetteten Samenmaterials mit wäßrigen, meist auf pH-Werte im alkalischen oder neutralen Bereich eingestellten, gegebenenfalls Salze verschiedener Art und Konzentration enthaltenden Medien. Die Abscheidung der Globuline aus diesen Extrakten erfolgt dabei durch isoelektrische Fällung im sauren Milieu, die Gewinnung der Albumine durch Hitzekoagulation, Komplexbildung oder Trockenprozesse nach vorangegangenem Aufkonzentrieren· Weiterhin sind zweistufige Extraktionsprozesse bekannt, welche auf einer Vorextraktion des Samenmaterials mit einem bezüglich der Globuline isoelektrischen wäßrigen Extraktionsmittel und

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nachfolgender alkalischer Extraktion der ungelöst gebliebenen Globuline beruhen. Für die Extraktion der Proteine sind Verfahrensweisen beschrieben, bei denen das Samenmaterial durch mehr oder weniger intensives Vermischen mit dem Extraktionsmittel zusammengebracht und der resultierende Extrakt durch nachfolgende Separationsschritte geklärt wird.

Die beschriebenen Extraktionsprozesse liefern Proteinlösungen vergleichsweise niedriger Konzentration, aus denen sich das Protein häufig nur nach Anreicherung in befriedigenden Ausbeuten gewinnen läßt. Zudem ist eine direkte Gewinnung des Proteins z. B. durch Sprühtrocknung aus so verdünnten Extrakten infolge eines sehr hohen technischen und energetischen Aufwandes unreal. Ebenso entfällt eine direkte Verarbeitung des gelösten Proteins z. B. durch Verspinnung oder Gelbildung· Noch ungünstiger sind die niedrigen Proteinkonzentrationen der Extrakte hinsichtlich einer Gewinnung der Albumine, ökonomisch und verfahrenstechnisch ungünstig wirkt sich auch die bei derartigen Extraktionsprozessen zur Erzielung maximaler Proteinausbeuten zwangsläufig erforderliche hohe Extraktionsmittelmenge aus, abgesehen von den damit verbundenen Problemen bei der Abwasseraufbereitung. Die bekannten Verfahren der isoelektrischen Fällung liefern infolge einer sehr unterschiedlichen Aggregation und eines wechselnden Albumingehaltes der Globuline Proteine mit stark variierenden funktioneilen Eigenschaften. Die Regulierung dieser Eigenschaften ist jedoch eine Voraussetzung für die Erzielung von Proteinen mit gleichbleibender bzw. vorherbestimmbarer Qualität für die Verarbeitung in Nahrungsmitteln.

Der Zweck der Erfindung, die sich auf die Gewinnung von Proteinen, insbesondere von Globulinen und Albuminen, zur Verwendung in Nahrungsmitteln bezieht, besteht darin, unter Beseitigung der genannten Mängel die Proteinausbeute zu erhöhen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die in ölsamen und Leguminosen enthaltenen Proteine, vorzugsweise die Globuline und Albumine, durch Anwendung solcher Bedingungen zu gewinnen und zu behandeln, daß eine hohe Proteinausbeute und konzentrierte Eiweißlösungen mit guten Eigenschaften für die Gelbildung bzw. Verspinnung, erhalten werden.

Ausgangsbasis zur Gewinnung von Proteinen, insbesondere von Globulinen und Albuminen aus entfettetem oder fettarmem Samenmaterial von ölsaaten und Leguminosen, vorzugsweise aus Sonnenblumen- oder Rapssamen, ist die Extraktion mit wäßrigen, auf einen vorgegebenen pH-Wert eingestellten, gegebenenfalls mit Salze verschiedener Art und Konzentration enthaltenden Medien, bei der Globuline und Albumine einzeln oder gemeinsam extrahiert werden«

Erfindungsgemäß werden die aus dem Samenmaterial unter den gewählten Bedingungen extrahierten Proteine einer nachträglichen ein- bis mehrstündigen Säure- oder Säure-Salzeinwirkung bei pH-Werten im pH-Bereich von 1,5 bis 4,0 unterworfen, wobei die Behandlung gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise von 40 bis 100 ⁰C, vorgenommen wird.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, die folgenden Bedingungen während der Proteinisolierung zu variieren und aufeinander abzustimmen:

- die Konzentration des Proteins im Extrakt,

- den pH-Wert bei der RJllung und bei der erfindungsgemäßen Nachbehandlung des gefällten Proteins,

- einen Salzgehalt des gefällten Proteins,

- einen Gehalt an Oxydations- und Reduktionsmittel im Extrakt bzw. im gefällten Protein,

- den Albumingehalt im gefällten Globulin·

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So lassen sich Globuline aus Extrakten mit hohem Elektrolytgehalt im pH-Bereich zwischen 1,5 und 4,0 in guten Ausbeuten ausfällen. Der Aggregationsgrad der Proteine hat für ihre Nachbehandlung und Weiterverarbeitung insofern Bedeutung, als diese Prozesse bei stark aggregierten Proteinen in einem weiten pH-Bereich durchgeführt werden können, ohne daß ein Verlust an Protein auftritt. In salzfreien oder salzarmen Proteinlösungen dissoziieren die Globuline in saurem Milieu unterhalb eines bestimmten pH-Wertes in kleinere Einheiten. Diese Dissoziation ist bei genügend langer Säureeinwirkung irreversibel und ergibt Aggregationsprodukte mit einem besonderen großen pH-Bereich minimaler Löslichkeit. Gleichzeitig werden bestimmte funktioneile Eigenschaften der Proteine durch die dadurch verbundenen Konformationsveränderungen beeinflußt. Da sich die Dissoziationsvorgänge durch die Gegenwart von Salzen steuern lassen, sind bestimmte funktioneile Proteineigenschaften zu erreichen. So läßt sich die Dissoziation der Sonnenblumenglobuline unterhalb pH 2,5 in Gegenwart von 3 - IO % Natriumchlorid verhindern. Um eine kombinierte Säure - Salz - Einwirkung vorzunehmen, kann das Protein aus Salzlösungen bestimmter Konzentration gefällt und danach eine vorgegebene Zeit unter sauren Bedingungen aufbewahrt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der nachträglichen Säure-Salzeinwirkung von bei beliebigen zur Fällung geeigneten pH-Werten präzipitierten Proteinen. So dissoziieren Pflanzenglobuline, wie Sonnenblumen- und Rapsglobuline, nach mehrstündigem Stehen bei pH-Werten zwischen 1,5 und 2,5 im salzarmen Milieu irreversibel und bilden schwerlösliche Aggregate bei Erhöhung der Salzkonzentration. Derartige Proteine sind besonders für die Verarbeitung zu Produkten geeignet, die im schwach sauren bis neutralen Bereich eine hohe Unlöslichkeit besitzen sollen· Wird die Säureeinwirkung auf die gefällten Proteine bei pH-Werten zwischen 1 und 2 und erhöhter Temperatur, d. h. zwischen 40 und 100 ⁰C vorgenommen, dann läßt sich durch partielle

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Desaroidierung ein Produkt mit höherem Wasserbindungsvermögen gewinnen« das z. B. besonders für die Gelbildung geeignet ist·

Unter den Bedingungen der isoelektrischen Fällung gewonnene Globuline enthalten mehr oder weniger große Mengen an Albuminen, die im Fall der Rapsproteine bis zu mehr als 30 % betragen können· Die Gewinnung der Albumine aus derartig gefällten Globulin-Albumin- Gemischen kann unter dem Gesichtspunkt der erfindungsgemäßen Behandlung so erfolgen, daß die Proteine einer Waschung unter solchen pH-Bedingungen unterworfen werden« die in Abhängigkeit vom Aggregationsgrad mehr oder weniger oberhalb des pH-Wertes der Fällung liegen· So läßt sich die gesamte adsorbierte Albuminmenge aus Globulinen, die im pH-Bereich von 2,0 bis 3,5 aus salzhaltigen Extrakten gefällt wird« nach ein bis zwei Waschoperationen mit der jeweils doppelten bis dreifachen Menge Waschflüssigkeit bei pH 3 bis 5,5 entfernen« ohne daß Globulinverluste eintreten. Zur Einstellung des pH-Wertes wird eine geeignete Menge einer verdünnten Alkali-Lesung mit dem Globulin homogenisiert. Die obere Grenze des pH-Wertes ist dann erreicht, wenn sich in der Lösung elektrophoretisch Globuline nachweisen lassen. Die 3 bis IO % Natriumchlorid enthaltenden Präzipitate der bei pH 1,5 bis 3,5 gefällten Sonnenblumen- und Rapsglobulinen werden zweckmäßigerweise bei pH-Werten zwischen 2,5 und 5,5 gewaschen. Mit einem Feuchtprotein-Waschwasser-Verhältnis von 1 : 2 lassen sich so Albuminlösungen gewinnen, deren Konzentration für eine Gewinnung durch Hitzekoagulation oder anderen Fällung günstig ist. Ein Waschflottenverhältnis über drei ist für eine Albumingewinnung nicht mehr empfehlenswert.

Die Einstellung eines bestimmten pH-Wertes in den genannten Bereichen ist nicht nur für eine maximale Entfernung der Albumine wichtig, sondern auch im Hinblick

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auf die erfindungsgemäße Beeinflußvjiig des Aggregationsgrades der Globuline durch Einwirkung von Wärme, Luft und Oxydations- und Reduktionsmitteln» Diese Faktoren wirken in Richtung auf eine Veränderung des Löslichkeitsverhaltens durch Beeinflussung des SH-SS~ Austausches und einer partiellen Denaturierung, Die Temperatur kann dabei zwischen 50 und 135 ⁰C liegen»

In effektiver Weise kann ei τ VVaochproz« Z mir einer Einwirkung reduzierende % .-. B. Oh-Cruppen enthaltender Stoffe, wie Cystein, Horcaptoec.igsaure, Mercaptoäthanol oder anderer Reduktionsmittel, ic Sulfit oder Schwefeldioxid, Ascorbinsäure oder oxydierender Stoffe, wie Bromat, Oodat, Wasserstoffperoxid und einer Wärmebehandlung gekoppelt werden.

Die für ölsamen in Frage kommenden pH-Werte der Behandlung liegen in Abhängigkeit vom Elektrolytgehalt zwischen 1,5 und 5,5* V/ie weiter gefunden wurde, können die Albumine bereits aus dem Samenmateriol entfernt werden, wenn dieses einer Extraktion mit einem Lösungsmittel unterworfen wird, dessen pH-Wert im isoeloktrischen Bereich der Globuline liegt und das einen Salzgehalt bis zu 10 /Of vorzugsweise an Natriumchlorid, aufweist. Da die Globuline unter diesen Bedingungen aggregiert vorliegen, gelten hierfür die gleichen pH-Bedingungen wie für die Fällung der Globuline aus Extrakten.

Es liegt im Rahmen der Erfindung, da.C dxe Extraktion der Globuline und/oder Albumine sowohl mit Wasser als auch wasserhaltigen organischen Lösungsmitteln, vorzugsweise ein- oder mehrwertigen Alkoholen, vorgenommen wird. Die Höhe des Anteils an organischen Lösungsmitteln richtet sich nach der Löslichkeit der Proteine. Sie kann dementsprechend bei der Extraktion der Albumine größer als bei der Globulinextraktion sein, üurch die Anwesenheit organischer Lösungsmittel werden die Aggregation und die

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funktioneilen Eigenschaften der Proteine wesentlich mit beeinflußt. Die Wahl eines geeigneten Alkohol-Anteils, insbesondere Äthanol oder Isopropanol, ermöglicht zudem eine Trennung von Pigmenten, Peptiden und Albuminen. Die Vorzüge des erfindungsgemäßen Verfahrens bestehen insbesondere in der Möglichkeit, sehr hoch konzentrierte Eiweißlösungen zu gewinnen und zu behandeln· Damit wird nicht nur die ökonomische Eiweißgewinnung gegenüber bekannten Verfahren erheblich verbessert, sondern auch die Möglichkeit einer direkten Verarbeitung der extrahierten Proteine aus der Lösung, z. B. durch Verspinnen oder Gelbildung gegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Behandlung lassen sich durch Aggregation der Proteine durch Kombination von pH-Wert-, Salz- und Temperaturbedingungen die jeweils gewünschten funktioneilen Eigenschaften, wie Quellbarkeit, Wasserbindungsvermögen, Löslichkeit, Gelbildungsvermögen, erreichen· Ein wesentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die isoelektrisch nicht fällbaren Albumine, die im allgemeinen eine günstige Aminosäurezusammensetzung besitzen, aus den gefällten Globulinen, in denen sie zum Teil enthalten sind, abzutrennen und so einer gesonderten Verwertung zuzuführen.

Die Erfindung soll an folgenden Beispielen erläutert werden:

Beispiel 1 Extraktion von Sonnenblumensamenschrot

Sonnenblumensamenschrot mit einem Korngrößenspektrum von 0,5 - 3 mm wird in bekannter Weise einem Extraktionsapparat, beispielsweise vom Typ "Karussel", zugeführt und mit einer 10%igen Natriumchloridlösung berieselt. Durch wiederholte Perkolation mit der 6fachen Menge an Natriumchloridlösung bei einem pH-Wert von б durch das

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ruhende Feststoffbett erhält man unter Einhaltung des Gegenstromprinzips eine aufgrund des gewählten Extraktionsprinzips feststofffreie 7,5%ige Proteinlösung, in der sowohl die Globuline als auch die Albumine enthalten sind*

Nach der Fällung durch Zugabe von HCl unter pH-Einstellung auf 3,0 erfolgt die Separation, die zu einem 20%igen Feuchtprotein führt, danach erfolgt die Homogenisation mit der doppelten Menge Wasser unter gleichzeitiger Zugabe von n/10 NaOH bis auf pH 4,0. Nach der Separation erhält man ein 30%iges Feuchtglobulin. Die Albuminlösung ist l,5%ig an Protein. Das Globulin besitzt ein gutes Quell- und Gelbildungsvermögen·

Beispiel 2 Extraktion von Raps

Rapssamenschrot mit einem Korngrößenspektrum von 0,5 2 mm wird in an sich bekannter Weise im Konti-Mischer mit auf einen pH-Wert von 4,5 eingestellter 2%±ger Natriumchloridlösung in 2stufiger Arbeitsweise bei einem Fest-flüssig-Verhältnis von 1 : 5 im Gegenstrom gemischt. Aus der resultierenden Suspension' werden die Feststoffe mittels Naßsiebung weitestgehend abgetrennt. Nach Klärung des angereicherten Ablaufes durch Separation erhält man die albuminhaltige Lösung, in der auch Pigmente und wasserlösliche Kohlenhydrate enthalten sind.

Aus dem Zentrifugat werden die Albumine durch in an sich bekannter Weise, Hitzekoagulation, gefällt und mittels Separation abgetrennt.

Der Rückstand der Naßsiebung wird gemäß Beispiel 1 zur Globulingewinnung aufgearbeitet.

Die Homogenisation des Feuchtglobulins, entsprechend der Erfindung, mit der doppelten Menge- einer Lösung von 0,1 % Natriumsulfat, pH-Einstellung auf 4,0, Erwärmen auf 60 ⁰C, liefert 30%iges Feuchtglobulin mit guten Eigenschaften für die Gelbildung·

Claims

180 509 Erfindungsanspruche

1. Verfahren zur Gewinnung von Proteinen, insbesondere von Globulinen und Albuminen aus entfettetenxoder fettarmen Samenmaterial von ölsa men und Leguminosen, vorzugsweise aus Sonnenblumen- oder Rapssamen, durch Extraktion mit wäßrigen, auf einen vorgegebenen pH-Wert eingestellten, gegebenenfalls mit Salze verschiedener Art und Konzentration enthaltenden Medien, bei der Globuline und Albumine einzeln oder gemeinsam extrahiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Samenmaterial unter den gewählten Bedingungen extrahierten Proteine einer nachträglichen ein-bis mehrstündigen Säure- oder Säure-Salzeinwirkung bei pH-Werten im pH-Bereich von 1,5 bis 4,0 unterworfen werden und die Behandlung gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise von 40 bis 100 ⁰C, vorgenommen wird.

2· Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Extraktion der Proteine eine Fällung albuminreicher Globuline vorgenommen wird, die Albumine bei leicht erhöhtem pH-Wert entfernt und die zurückbleibenden Globuline bei pH-Werten von 1,5 bis 4,0 behandelt werden·

3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach Extraktion und Ausfällung beim isoelektrischen Punkt der Globuline die Behandlung durch Säureeinwirkung der Globuline zusammen mit den mitgefällten Albuminen erfolgt.