DD200189A1 - Modifizierung von reaktionsprodukten aus proteinen und polycarbonylverbindungen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der Reaktionsprodukte, die bei einer Umsetzung von Proteinen und Carbonylgruppen enthaltenden Verbindungen entstehen. Die modifizierten Produkte sind bei der Herstellung von Lebensmitteln und als technische Hilfsstoffe einsetzbar. Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch Modifizierung der genannten Reaktionsprodukte, die Stabilitaet der aus ihnen in waessrigem Medium gebildeten thermoreversiblen oder thermoirreversiblen Gele zu erhoehen. Wesentlich fuer das erfindungsgemaesse Verfahren ist, dass die aus der Umsetzung von Proteinen und Polycarbonylverbindungen hervorgehenden Reaktionsprodukte nach einer Lagerzeit einem Temperprozess mit einer Dauer von 10 Minuten bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 40 bis 70 Grad in An- oder Abwesenheit von Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltenden Verbindungen unterworfen werden.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der Reaktionsprodukte aus Proteinen mit Carbonylgruppen enthaltenden Verbindungen. Die modifizierten Produkte sind zur Herstellung von Lebensmitteln oder als technische Hilfsstoffe geeignet, da sie thermoreversible und thermoirreversibl Gele bilden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist ein Verfahren zur Herstellung von Umsetzungsprodukten aus Proteinen mit carbonylgruppenhaltigen Verbindungen, das auf der Reaktion von Proteinen mit hochmolekularen Polycarbonyl-Verbindungen im pH-Bereich 1,5 bis 14 (DD WP 135 321) beruht. Die Umsetzung liefert Produkte, die in wäßrigem Medium unschmelzbare (thermoirreversible) bzw. schmelzbare (thermoreversible) Gele je nach zugegebener Reagensmenge und gewählter Proteinkonzentration bilden.

Die physikalischen Eigenschaften, wie Festigkeit, plastisches und elastisches Verhalten sowie Schmelzbarkeit der nach diesem Verfahren gewonnenen Reaktionsprodukte hängen dabei von der Blockierung funktionaler Gruppen im Protein und von der Vernetzung der Polypeptidketten ab. Sie verändern sich folglich innerhalb einer bestimmten Zeit in dem Maße, wie noch Reaktionen zwischen Protein und Carbonylverbindung ablaufen. Unter geeigneten Bedingungen kann so infolge dieser Reaktionen aus einem anfänglich schmelzbaren System bei Anwesenheit reaktionsfähiger CarbonylgruRpen durch fortschreitende Vernetzung der Protein-Polypeptidketten ein partiell oder vollständig unschmelzbares System werden. Eine Reaktion bei höheren Temperaturen führt zwar rasch zu einem stabilen Endzustand, jedoch sind dabei'unerwünschte Nebenreaktionen nicht zu vermeiden.

Das bekannte Verfahren führt aus den genannten Gründen zu Umsetzungsprodukten, die in einem bestimmten Zeitraum chemisch und physikalisch instabil sind'und deshalb einen nur begrenzten praktischen Einsatz ermöglichen. Es ist ein Nachteil des Verfahrens, daß Möglichkeiten einer Regulierung oder Stabilisierung der Eigenschaften der Umsetzungsprodukte nicht aufgezeigt werden.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Modifizierung der Reaktionsprodukte von Proteinen und Polycarbonylverbindungen unter Bildung von Umsetzungsprodukten, die in wäßrigem Medium thermoreversible oder thermoirreversible Gele mit stabilen Eigenschaften ergeben, und sowohl für Nahrungszwecke als auch für eine technische Verwendung einsetzbar sind, unter Beseitigung der Mängel des bekannten Verfahrens zu entwickeln. Der Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die speziellen Bedingungen für eine derartige Stabilisierung der Reaktionsprodukte von Proteinen und Carbony!verbindungen aufzuzeigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung . ' ·

Diese Aufgabe kann dadurch gelöst werden, daß die Reaktion des bekannten Verfahrens in bestimmt! Weise fortgeführt wird. Die bekannten Reaktionskomponenten, nämlich die Proteine und die Polycarbonylverbindungen, vorzugsweise vom Typ der Dialdehydstärke, werden bei Temperaturen zwischen 15 ⁰C und 40 ⁰C unter den bereits bekannten Bedingungen umgesetzt. Anschließend werden die entstandenen Reaktionsprodukte erfindungsgemäß nach einer Lagerzeit von 1 bis 24 h einer Wärmeeinwirkung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 40 und 70 ⁰C während einer Dauer von 10 min bis 2 h in An- oder Abwesenheit von Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltenden Verbindungen, vorzugsweise in Anwesenheit von Aminosäuren, unterzogen und danach auf Temperaturen zwischen+4 und+25 °6 abgekühlt. . .

-*- 233 124 S

Dieser Verfahrensweise liegt die Beobachtung zugrunde, daß die Reaktion zwischen den basischen.Aminosäuren des Proteins und den Polycarbonylverbindungen in kurzer Zeit zu definierten Produkten mit stabilen Eigenschaften führt, wenn man die Umsetzung zunächst bei mäßiger Temperatur durchführt und die Produkte zur Ausbildung gelartiger Strukturen eine kurze Zeit lagert und sie dann einer milden Wärmebehandlung mit oder ohne Reagentien, die über- ' schüssige Carbonylgruppen binden, unterwirft.

Während der ersten Stufe der Umsetzung erfolgt eine rasche Blockierung basischer Aminosäurereste und eine Vernetzung von Polypeptidketten des Proteins. So sinkt der Gehalt an reaktionsfähigen Resten basischer Aminosäuren in 5 bis 20% Casein und 0,3 bis 3% Dialdehydstärke enthaltenden wäßrigen Systemen während einer 12 stündigen Reaktion bei 20 bis 25 ⁰C um 5 bis 25%, wovon die Lysinreste und 40 bis 65% den Hauptanteil ausmachen. Während der kurzzeitigen Lagerung bildet sich in diesen Systemen ein räumliches Polymernetzwerk, so daß Gelierung eintritt. Bei fortgesetzter Lagerung nimmt der Gehalt an basischen Gruppen um insgesamt 15 bis 30% ab, während gleichzeitig der Anteil der reaktionsfähigen Carbonylgruppen von 30% der eingesetzten Menge, die nach 12 stündiger Lagerung noch nachweisbar sind, auf Werte von 0 bis 5% abnimmt. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich diese ,,Endwerte" sofort nach der erfolgten Wärmeeinwirkung im genannten Temperaturbereich erreichen. Der Temper-Prozeß, den man zur Gewährleistung gleichbleibenden Wassergehaltes im Gel zweckmäßig in einer wassergesättigten Atmosphäre durchführt, bewirkt durch die Stabilisierung der chemischen Eigenschaften auch eine Stabilisierung der für Gele wichtigen thermischen und mechanischen Eigenschaften, d.h. der Schmelzbarkeit und des plastischen und elastischen Verhaltens. Fig.1 demonstriert die Veränderung der Nachgiebigkeit eines 8%igen Caseingels während einer zweiwöchigen Lagerung bzw. nach einstündigem Tempern bei 60 ⁰C entsprechend der erfindungsgemäßen Modifizierung der Reaktionsprodukte aus Proteinen und Polycarbonylverbindungen. Darin sind die während einer 24 stündigen Belastungsphase sowie während einer nachfolgenden 24 stündigen Entlastungsphase nach 1/3 und 15 Tagen (d) Lagerzeit ohne Temperaturbehandlung gemessenen Kriechkurven im Vergleich zu einer durch Tempern eintägiger Gele erhaltenen Kriechkurve dargestellt. (I = Nachgiebigkeit in m² · N~¹ ·ΊΟ~³).

Bei Gelen der genannte Reaktionsprodukte mit einem geringeren Vernetzungsgrad, die durch Schmelzbarkeit gekennzeichnet sind, äußert sich die Instabilität während einer Lagerung ohne vorheriger Temperaturbehandlung in einem allmählichen Anstieg der Schmelztemperatur bis zu einem Endwert. Hier bewirkt das erfindungsgemäße Tempern, das zweckmäßig im Bereich der Schmelztemperatur des Geles vorgenommen wird, einen Anstieg der Schmelztemperatur bis zum erreichbaren Endwert bereits während des Erhitzungsprozesses. Weitere Veränderungen treten danach nicht mehr ein. Tab. 1 zeigt einige mit Caseingelen erhaltene Ergebnisse.

Tab. 1 Beeinflussung des Schmelzverhaltens (Schmelztemperaturen in Grad Celsius) von Caseingelen durch Tempern DAS = Dialdehydstärke) d = 1 Tag ' .

Konzentration Lagerung bei Zimmertemperatur Tempern

Casein DAS . 1 d 4 d 9-14 d nach 1 d

8 0,7

8 0,8

8 0,96

nicht geliert	28-32	38-40	38 - 35+)
54-66	66-70	38-40+)
	(teilweise	55 - 72+)
	(teilweise un

S 4

10	0,4	nicht	30-38	teilweise	34 - 46+)
		geliert		geliert
10	0,5	nicht	schmelzbar	36-47	36 - 47+)
		geliert
10	0,8	nicht		nicht schmelz-
				bar++>

+) 10 min Erhitzen auf 40 - 50 ⁰C ++) 10 min Erhitzen auf 50-7O⁰C

Die erfindungsgemäß praktizierte Verfahrensweise unterscheidet sich von dem bekannten Verfahren u.a. auch darin, daß bei letzterem die Reaktion selbst gegebenenfalls bei erhöhter Temperatur vorgenommen wird, während das neue modifizierte Verfahren vorrangig zunächst eine Phase der Gelierung unter milden Bedingungen beinhaltet. Dadurch wird eine Bildung störender, beim Erhitzen der Ausgangsstoffe Protein und Carbonylverbindung leicht entstehender Nebenprodukte vom Maillard-Typ, die zu unwillkommener Verfärbung der Produkte führen, weitgehend vermieden.

Die erfindungsgemäße milde Wärmebehandlung bewirkt zugleich, daß Systeme der genannten Reaktionsprodukte, die aufgrund ihres geringen Gehaltes an der Polycarbonylverbindung unter normalen Bedingungen nicht gelieren, beim Tempern Gele bilden -können.' Damit gelingt es, die für die Gelbildung benötigte Mindestmenge an Polycarbonylverbindungen herabzusetzen. Diese ist aus ernährungsphysiologischen und toxikologischen Gründen von Wichtigkeit. In Tab. 1 sind Beispiele für die Wirkung einer Wärmebehandlung auf nichtgelierende Systeme unter solchen Grenzbedingungen aufgeführt. Die Zugabe von Verbindungen mit reaktionsfähigen-Amino- oder Sulfhydrylgruppen zu dem System der Reaktionsprodukte aus Proteinen und Polycarbonylverbindungen bewirkt eine Stabilisierung des Schmelzverhaltens in Abhängigkeit von der Menge ah zugegebener Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltender Verbindung. Dadurch gelingt es, den Schmelzbereich des Systems durch die Menge an zugegebenem Reagens zu regulieren. Dieses wird dem System zugegeben, nachdem bereits eine Gelbildung eingetreten ist, so daß eine Steuerung der Strukturierung durch Konkurrenzreaktion zwischen den basischen Gruppen des Proteins einerseits und dem Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltenden Reagens andererseits mit der Carbonylverbindung vermieden wird. Danach wird das System aufgeschmolzen und getempert. Je nach Zusammensetzung und Eigenschaften des Systems kann die molare Menge an zugegebenem Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltenden Reagens dem 0,1 bis 2 fachen der Menge an Carbonylgruppen entsprechen. Wegen ihrer ernährungsphysiologisch-toxikologischen Unbedenklichkeit wurden als geeignete Amino- oder Sulfhydrylgruppen tragende Stoffe zweckmäßig Mono- oder Diamino-Carbonsäuren sowie Cystein eingesetzt. Tab. 2 gibt einige Beispiele für die Wirkung von Aminosäuren auf das Schmelzverhalten von Caseingelen wieder.

Tab. 2 Beeinflussung des Schmelzverhaltens'(Schmelztemperaturen in Grad Celsius) von Caseingelen durch Aminosäurezusätze DAS= Dialdehydstärke, d =1 Tag

Konzentration	Casein	Yo	DAS	unbehandelt	Aminosäurezusatz nach 1 d
C				.(CO: NH2)
10	0,5	1 d 9-14 d	GIy" GIy. Lys Lys ;
			(1:1) (1:0,5) (1:2) (1:)
10	0,8	nicht 36-47	30-34+) 35-40+) 30-36+) 36-41+>
		geliert
		nicht schmelz	60-65++) nicht nicht
8	0,8	bar	schmelz- schmelz
	bar++) bar++)
28-32 38-40	28-32+) 30-35+) 28-32+)

+) 10 min Erhitzen auf 50-70⁰C ++) 10 min Erhitzen auf 40-50⁰C

Im Gegensatz zu dem Tempern in Abwesenheit der Aminosäuren, das zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur des Systems führt (Tab. 1), bewirkt das¹ Tempern in Anwesenheit einer Aminosäure, daß die Schmelztemperatur des Anfangszustandes entweder konstant bleibt oder beliebige Werte zwischen dem jeweilig erreichbaren Anfangs- und Endwert des Schmelzbereiches annimmt. Jenes bei hohen, dieses bei niedrigen Konzentrationen an Aminogruppen ein (Tab. 2). Sulfhydrylgruppen sind besonders reaktiv und in der Lage, bereits geknüpfte reversible Bedingungen zwischen Protein und Carbonylverbindung zu spalten, so daß geringe Mengen (0,1 bis 0,5 fache molare Anteile) an Cystein bereits große Effekte zeigen. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Herstellung von modifizierten Umsetzungsprodukten von Proteinen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Die Produkte, die entweder themnoreversible oder thermoirreversible Gele liefern, sind aufgrund der Stabilität ihrer Eigenschaften gut für die Verarbeitung in Nahrungsmittel- oder technischen Systemen geeignet. DasVerfahren ejgent sich besonders für die Herstellung farbloser oder nur schwach gefärbter schmelzbarer Gelsysteme, die im Bereich der Mundtemperatur, d.h. zwischen 35 und 40 ⁰C, schmelzen und als Nahrungsgele einsetzbar sind. Es ist dabei wichtig, daß die zur Reaktion benötigte Menge an Carbonylverbindung sehr gering ist und bei den Gelen mit niedriger Schmelztemperatur nur dem 0,1 bis 0,2 fachen molaren Anteil der reaktionsfähigen Aminosäure-Reste entspricht. Eine wesentliche Folge des erfindungsgemäßen Temper-Prozesses ist neben der Stabilisierung der Geleigenschaften eine Umordnung der makromolekularen Struktur, die zu homogeneren, leicht opaken Produkten führt. . . ..

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll an den folgenden Beispielen erläutert werden:

Beispiel 1

Zur Herstellung eines thermoreversiblen, schnittfesten und kaubaren Proteingels werden zwei Teile einer 15%igen Caseinlösung von pH 6 — 8 mit einem Teil einer 1,5%igen Lösung von Dialdehydstärke (Oxydationsgrad 95%), enthaltend 0,3% Borax, vom gleichen pH-Wert bei Zimmertemperatur vermischt. Nach 12 stündiger Lagerung wird das zu einem Gel erstarrte Reaktionsgemisch aufgeschmolzen und 10 min bei 40 — 50 ⁰C getempert und auf Zimmertemperatur abgekühlt. Das wieder erstarrte Gel besitzt einen konstanten Schmelzbereich bei 45 - 47 ⁰C. . '

Beispiel 2

Analog dem Beispiel 1 wird ein Reaktionsgemisch aus 10% Casein und 0,4% Dialdehydstärke hergestellt, das bei Zimmertemperatur auch während einer mehrtägigen Lagerung nicht: geliert. 2 stündiges Erhitzen auf 40 — 50 ⁰C in wassergesättigter Atmosphäre ergibt ein Reaktionsprodukt, das nach dem Abkühlen zu einem bei 28 — 32 ⁰C schmelzenden Gel erstarrt. ·

Beispiel 3

Analog dem Beispiel 1 wird ein stabilisiertes thermoirreversibles Gel mit definierten mechanischen Eigenschaften durch ReaktioYi in einer 10% Casein und .1%"Dialdehydstärke enthaltenden Lösung hergestellt und nach eintägiger Lagerung 10 min bei 50 — 60 ⁰C in wassergesättigter Atmosphäre getempert.

Beispiel 4

10 g des nach Beispiel 1 hergestellten Gels werden vor dem Tempern mit 42 mg Glycin versetzt, aufgeschmolzen und 10 min auf 40 — 50 ⁰C erwärmt. Nach dem Abkühlen resultiert ein konstant bei 35 — 36 ⁰C schmelzendes Gel.

Beispiel 5

10 g aus einer 15% Casein und 0,5% DAS enthaltenden wäßrigen Lösung hergestelltes Gel werden mit 30 mg Lysin versetzt, aufgeschmolzen und 10 min auf 40 — 50 ⁰C erwärmt. Nach dem Abkühlen resultiert ein konstant bei 32 - 35 ⁰C schmelzendes Gel. Ersatz des Lysins durch 10 mg Cystein liefert ein Gel mit einer Schmelztemperatur von 28 — 32 ⁰C.

Beispiel 6

Ein Gemisch aus Casein und hitzedenaturiertem Ackerbohnenproteinisolat (1:1) wird in 10%iger Lösung analog dem Beispiel 3 mit Dialdehydstärke umgesetzt und 15 min bei 50 — 60 ⁰C getempert. Es resultiert ein Mischgel mit stabilen mechanischen Eigenschaften. In analoger Weise lassen sich Mischgele aus Casein und Hefe ρ rote in isolate n herstellen.

Claims (5)

1. Erfindungsansprüche:

   1. Verfahren zur Modifizierung von Reaktionsprodukten, die aus Proteinen und Polycarbonylverbindungen entstehen und noch restliche freie CarbDnylgruppen enthalten, dadurch gekennzeichnet,

   daß derartige Reaktionsprodukte nach einer Lagerzeit von 1 bis 24 Stunden einem Temperprozeß während 10 Minuten bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 40 bis 70 ⁰C in An- oder Abwesenheit von Amino- und/oder Sulfhydrylgruppen enthaltenden Verbindungen, vorzugsweise Aminosäuren, unterworfen und danach auf Temperaturen zwischen +4 und +25 ⁰C abgekühlt werden.
2. 2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß als Proteinkomponente Casein, pflanzliches oder mikrobielles Protein oder ein Gemisch daraus eingesetzt wird. .
3. 3. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß als Carbonylverbindung Dialdehydstärke eingesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß Lysin oder Glycin als Aminosäure zugesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß Cystein als Sulfhydryl- und Aminogruppen enthaltende Verbindung zugesetzt wird.

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