DD275393A1 - Verfahren zur gewinnung gereinigter proteinpraeparate aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen rohstoffen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung gereinigter Proteinpraeparate aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen, vorzugsweise Rapssamen oder deren Verarbeitungsprodukten unter Anwendung kombinierter Extraktions-, Erhitzungs- und Membrantrenntechnik. Erfindungswesentlich ist, dass die Extraktion mittels Alkali- oder Erdalkalisalzloesungen erfolgt und die proteinhaltigen Extrakte einem Membrantrennprozess unterworfen werden, wobei durch Ultrafiltration eine Konzentrierung der Extrakte durchgefuehrt wird. Den resultierenden UF-Retenaten wird waehrend der Ultrafiltration im ersten Schritt waessrige Alkali- bzw. Erdalkalisalzloesung zugefuehrt und im zweiten Schritt Wasser. Nach Entfernung der antinutritiven Verbindungen sowie der zugesetzten Alkali- oder Erdalkalisalze mit dem Permeat erfolgt eine weitere Konzentrierung und Trocknung des die gereinigten Proteine enthaltenen DF-Retenats.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung gereinigter Proteinpräparate aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen sowie aus deren Verarbeitungsprodukten, speziell aus Brassica- und Crambesamen, zwecks Erschließung als Rohstoffquelle für die Humanernährung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekanntlich stellen thioglykosidhaltige Rohstoffe, wie Brassica- und Crambesamen sowie deren Verarbeitungsprodukte (Schilfer und Extraktionsschrote) auf Grund ihrer vergleichsweise günstigen Aminosäurezusammensetzung wertvolle proteinhaltige Ausgangsstoffe für die Tier- und auch Humanernährung dar. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß die antinutritiven Thioglykoside bzw. deren toxische Spaltprodukte (wie 5-Vinyi-2-thiooxazolidon [VTO), Isothiocyanate [ITC], Nitrile) vor, während oder nach der Gewinnung von Proteinkonzentraten oder -isolaten aus den genannten Rohstoffen entfernt werden müssen. Weiterhin ist aus ernährungsphysiologischer und lebensmittelchemisch/'technologischer Sicht eine Eliminierung der in beträchtlichen Mengen (2-4%) in den genannten Ölsamen vorhandenen Phytinsäure notwendig. Die Phytinsäure C₆H₆-(O-PO(OH)₂l6 ist ihrem chemischen Aufbau nach ein Hexaphosphorsäureester eines im Tier- und Pflanzenreich außerordentlich weit verbreiteten 6wertigen, cyclischen Alkohols, des myo-lnositols (auch als myo-lnosit bezeichnet). Diese Verbindung, die bei den üblichen Verfahren der Gewinnung von Proteinkonzentraten oder -isolaten aus Brassica- oder Crambesamen bzw. aus deren Verarbeitungsprodukten in den Proteinpräparaten verbleibt bzw. sich dort anreichert, beeinträchtigt aufgrund ihrer hohen Bindungsaffinität zu Metallionen die biologische Verfügbarkeit bestimmter Metalle für den Warmblüterorganismus durch Bildung nicht verwertbarer Komplexverbindungen, wodurch gesundheitliche Schäden ausgelöst werden können. Das betrifft besonders das Zink, aber auch Calcium, Magnesium und Eisen. Zum anderen werden das Löslichkeitsverhalten, wie auch andere ausgewählte funktioneile Eigenschaften (Schäum- und Emulgiereigenschaften), von Proteinpräparaten infolgt, stabiler Piotein· Phytinsäure-Komplexe negativ beeinflußt.

Im Schrifttum wurden zahlreiche Verfahren zur Eliminierung der genannten antinutritiven Verbindungen beschrieben. Bezüglich der Abtrennung der Thioglykoside und deren Spaltprodukte bzw. der Verminderung ihres Gehaltes lassen sich diese Verfahrensvorschläge in physiko-chemische, chemische und enzymatische Behandlungsverfahren unterteilen. Physiko-ehemische, auf eine thermische Verflüchtigung und/oder Polymerisation von Glucosinolat-Spaltprodukten basierende Verfahren weisen den generellen Nachteil einer damit verbundenen drastischen Proteindenaturierung und unerwünschter anderer Reaktionen von Proteinen, wie MAILLARD-Um?etzungen, auf, die eine Herabsetzung der Löslichkeit und des nutritiven Weites bedingen.

Chemische Verfahren der Partial- oder Totalhydrolyse und des desmolytischen Abbaus von Glucosinolaten erfordern demgegenüber eine technisch nur schwierig zu bewerkstelligende exakte Einhaltung vorgegebener Vorsucnsbedingunger., Ha anderenfalls toxische Artefakte infolge unkontrollierbarer Nebenreaktionen an oder zwischen Proteinen und anderen Sameninhaltsstoffen, speziell Glucosinolaten, gebildet werden. Darüber hinaus werden besondere Anforderungen an Werkstoffe hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit gestellt.

Enzymatische Verfahren sind wiederum durch lange Inkubationszeiten oder einen nicht vollständigen Abbau von Glucosinolaten gekennzeichnet und setzen einer kontinuierlichen Prozeßführung Grenzen.

Extraktive Verfahren sind vor allem auf Grund des hohen Anteils an wasserlöslichen, ernährungsphysiologisch besonders hochwertigen Albuminen in Rapssamen bei Anwendung wäßriger Extraktionsmedien zum Auslaugen von Schadstoffen mit dem Nachteil hoher Extraktionsverluste behaftet. Weiterhin sind damit spezielle Anfordei ungen an die Abwasseraufbereitung verbunden, da derartige Extrakte durch einen erhöhten biologischen Sauerstoffbedarf charakterisiert sind. Der Einsatz wäßrigorganischer Lösungsmittel zur Schadstcffeliminierung ist dagegen, insbesondere wegen der erforderlichen Rektif Tierung, verfahrenstechnisch aufwendig und bedingt eine mehr oder weniger starke Proteindenaturierung.

.Ein spezielles zusätzliches Problem im Zusammenhang mit der extraktiven Schadstoffeliminierung aus Rapssamen stellt somit die bei einer Konzentrat- oder Isolatgewinnung aus ökonomischen Gründen einer effektiven Verfahrensgestaltung notwendige Abscheidung gelöster, einer isoelektrischen Ausfällung nicht ohne weiteres zugänglicher Albumine dar.

Eine dazu prinzipiell mögliche Hitzekoagulation im alkalischen Milieu ist für eine Albumingewinnung in der Humanernährung infolge einer drastischen Proteinder aturierung, einer erheblichen Erniedrigung des nutritiven Wertes durch Abbau oder Umwandlung essentieller Aminosäuren, einer Beeinträchtigung sensorischer und anderer funktioneller Gebrauchseigenschaften und einer Anreicherung mit Glucosinolatspaltprodukten ungeeignet.

Alternativverfahren der Trennung von Albuminen mit polyani mischen, organischen oder anorganischen Komplexbildnern, wie Hexamethaphosphate, Aluminiumisopolysäuren, Alginate oder Pektinate, erfordern einen relativ hohen Bedarf an Komplexbildnern oder einen zusätzlichen Reinigungsaufwand zwecks Rückgewinnung oder Entfernung des Fällungsreagens.

Aus verfahrenstechnischer Sicht gleichfalls aufwendig ist eine Albumingewinnung durch chemische Modifizierung, wie Acylierung.

In der PS DDWP 217701 wird ein Verfahren zur quantitativen Gewinnung schadstofffreier Proteinfraktionen aus thioglykosidhaltigen Rohstoffen (wie Rapssamen oder deren Verarbeitungsprodukte) auf de Basis der Ultrafiltration von protcinhaltigen, vor allem Albumine enthaltenden, Exti-kten beschrieben.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß vor der Proteinextraktion eine Myrosinaseinnktivierung erfolgt und daß der eingesetzte Rohstoff einer schonenden Hydrolyse unterworfen werden muß.

Spezielle Verfahren sehen auch eine Behandlung von Samen bzw. Samenmehlen der Brassica-Spezies mit Schwermatallsalzen vor, wobei mehr oder weniger schadstorffreie (bezöget, auf Thioglykoside und deren Spaltprodukte) Proteinpräparate erhalten werden.

Den beschriebenen Verfahren zur Gewinnung schadstofffreier proteinhaltiger Produkte bzw. Fraktionen aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen sowie aus deren Verarbeitungsprodukten durch Einwirkung von Schwermetallsalzen ist gemeinsam, daß die eingesetzten SiMze vollständig oder partiell in den Finalprodukten verbleiben.

Dieser Nachteil wird durch eine vorgeschlagene Verfahrensweise (WPA 23 J/3170540) vermieden, nach der die den Extrakten zugesetzten löslichen Schwermetallsalze gemeinsam mit den Thioglykosiden und ihren Spaltprodukten durch eine ultrafiltrative Behandlung entfernt werden.

Allen Verfahren zur Abtrennung der Thioglykoside und deren .Spaltprodukte bzw. der Verminderung ihres Gehaltes zum Zwecke der Gewinnung schadstofffreier proteinhaltiger Produkte bzw. Fraktionen aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen sowie aus deren Verarbei'.ungsprodukten ist gemeinsam, daß die vorgeschlagenen öehandiungswoisen nicht zu einer Verminderung des Phytinsäuregehaltes der resultierenden Proteinpräparate fuh.en.

Dazu haben Siy und Talbot einen Verfahrensvorschlag unterbreitet. Danach wird durch Ultrafiltration eines wäßrigen Rapsproteinextraktes in Gegenwart von Natriumchlorid nino weitgehende Entfernung der Phvtinsäure erreicht. Die antinutritiven Thioglykoside und deren toxische Spaltprodukte sind von den genannten Autoren jedoch nicht berücksichtigt worden.

Ziel de' Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht demzufolge in der Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung gereinigter Proteinfraktioneri aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen, vorzugsweise aus Rapssamen oder deren Verarbeitungsprodukten für die Humanernährung Ui ;er Ausschaltung der beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die speziellen Bedingungen für ein derartiges Verfahren aufzuzeigen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung gereinigter Proteinpräparate aus pflanzlichen thioglykosidhnltigen Rohstoffen, vorzugsweise aus Rapyamen oder deren Veiarbeitungsprodukten, durch kombinierte Extraktions-, Separations-, Erhitzungs- und Membrantrenn-Verfahrer, bei denen durch wäßrige Extraktion der eingesetzten Rohstoffe und nachfolgende Feststoff-Flüssigkeits-Trennung proteinh'.iiige Extrakte gewonnen werden, besteht darin, daß die Exti aktion mittels Alkali- bzw. Erdalkalisalzlösungen, vorzugsweise Natriumchloridlösung, erfolgt, die proteinhaltigen Extrakte einem Membrantrennprozeß unterworfen werden, bei dem durch Ultrafiltration eine Konzentrierung der Extrakte vorgenommen wird, danach den resultierenden UF-Retenaten während der Ultrafiltration periodisch oder kontinuierlich in einem ersten Schritt wäßrige Alkalibzw. Erdalkalisalzlösungen zugeführt werden und in einem zweiten Schritt Wasser zugeführt wird und nach Entfernung der antinutritiven Verbindungen sowie der zugesetzten Alkali- bzw. Erdalkalisalze mit dem Permeat weiter konzentriert und gegebenenfalls das die gereinigten Proteine enthaltene DF-Retenat getrocknet wird.

Es wurde nämlich überraschenderweise gefunden, daß unter den beschriebenen Bedingungen neben der Phvtinsäure gleichzeitig die vorhandenen Thioglykoside sowie die daraus entstandenen toxischen Spaltprodukte vollständig aus den proteinhaltigen Extrakten entfernt werden.

Die anwesenden Elektrolyts verhindern die Bildung stabiler Protein-Phytinsäure-Komplexe, und gleichzeitig wird infolge elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Elektrolyten die Bindung von Schadstoffen an die gelösten Proteine vermieden.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist es wesentlich, daß solche Membranen eingesetzt werden, die alle gelösten Proteine retenieren (Verbleiben im Retenat), wobei aber gleichzeitig die Glucosinolate, deren Spaltprodukte und die Phvtinsäure durch d· < Membran hindurchtreten (permeieren) und im Permeat enthalten sind.

Diese gemeinsame und vollständige Abtrennung der genannten antinutritiven Verbindungen in einem Verfahrensschritt wird als besonderer Vorteil des dargelegten Verfahrens angesehen.

Proteingehalt und Reinheit der UF-Retenate werden partiell durch das Konzentrierungsverhältnis des Extraktos bestimmt. Mit Erhöhung des Konzentrierungsverhältnisses nimmt der Proteingehalt der UF-Retenate zu, gleichzeitig verringert sich der Gehalt an antlnutrltlven Substanzen (Thioglykoslde und deren Spaltprodukte sowie Phytinsäure). Die entscheidende Reinigung der UF-Retenate wird jodoch durch die unmittelbar im Anschluß an die Ultrafiltration und ohne Unterbrechung des Gesamtprozesses erfolgte Diafiltration (DF) erzielt. Im einzelnen wird dabei so verfahren, daß bei Erreichen eines gewünschten UF-Konzentrierungsverhältnisses während der Weiterführung der UF dem UF-Rotenat in einem ersten Schritt wäßrige Alkali- bzw. Erdalkalisalzlösungen periodisch oder kor, nuierüch zugeführt werden, bis alle unerwünschten Bestandteile (Thioglykoside und deren Spaltprodukte sowie Phyiinsäure) mit dem DF-Permeat entfernt sind. Es hat sich gezeigt, daß dabei ein Verhältnis von UF-Retenat zu Wasser oder wäßriger Elektrolytlösung von 1:1 bis 1:10, vorzugsweise 1:2 bis 1:5, erforderlich ist (OF-Verhältnis). In einem zweiten Diafiltrations-Schritt wird wiederum ohne Unterbrechung des Gesamtprozesses dem gereinigten, aber salzhaltigen DF-Retenat periodisch oder kontinuierlich eine yolche Menge an Wasser zugeführt, bis die im Retenat vorhandenen Alkali- bzw. Erdalkalisalze mit dem DF-Permeat entfernt sind. Es hat sich gezeigt, daß dabei in Abhängigkeit von der Salzkonzentration Dialfiltrationsverhältnisse von 1:1 bis 1;10 erforderlich sind.

Wie weiterhin überraschend gefunden worden ist, stören die durch die Entsalzung in feiner Form (kleine Teilchen) ausfallenden Globuline den Diafiltrationsprozeß nicht.

Es wird außerdem als Vorteil angesehen, daß die proteinhaltige Retenatfraktion nach Durchführung der Diafiltration (DF-Retenat) weiter konzentriert werden kann, womit Energiekosten bei nachfolgenden thermischen Konzentrierungs- und Trocknungsverfahren entscheidend gesenkt werden können. Es ist nämlich bekannt, daß im Hinblick auf die Energieaufwendungen Verfahren der Ultrafiltration weitaus günstiger als thermische Verfahren zu bewerten sind. Ein zusätzlicher Vorteil des erfindungsgemäß beschriebenen Verfahrens besteht darin, daß keine Luugungsverluste in '-'orm von gelösten Biopolymeren auftreten. Durch den hinsichtlich des Permeatvermögens gezielten Einsatz von Membranen passieren nur niedermolekulare Verbindungen (wie z. B. die Thioglykoside und deren Spaltprodukte, Phytinsäure, Alkali- und Erdalkalisalze-Ionen) mit dem Pfrmeat die Membranen. Das wiederum ist vorteilhaft im Hinblick auf die Abwasserproblematik, da das so anfallende Permeat durch einen vergleichsweise geringen biologischen Sauerstoffbedarf charakterisiert ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß weitgehend native Proteine erhalten werden und keine Proteinsch-idigungen auftreten.

Das erfindungsgemäß beschriebene Verfahren qrmnoiir.ht die Gewinnung und Reinigung aller in thioglykosidhaltigen Rohstoffen enthaltenen Proteine in Form von Isolaten und proteinhaltigen Rückständen. Die Isolate sind für die Humanernährung geeignet, während die proteinhaltigen Rückstände als Tierfutter Verwendung finden können. Damit wird eine vollständige Vo. Wertung aller wertbestimmenden inhaltsstoffe der Rohstoffe erzielt.

Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß aus kommerziellem Rapsextraktionsschrot durch Rührextraktion mittels 1 bis 10%iger Natriumchloridlösung und einem Feststoff-Flüssigkeitsverhältnis von 1:5 bis 1:15 bei 15 bis 6O⁰C15 bis 75min die Albumine und weitgehend die Globuline extrahiert werden. Nach Separieren der Mischung in Extrakt und Rückstand wird letzterer mit Wasser gewaschen und getrocknet. Es resultiert ein proteinhaltiges salz- und schadstofffreies (Abwesenheit von Thioglykosiden und deren cTpaltprodukte sowie Phytinsäure) Produkt, (Jas als Futtermittel geeignet ist. Der natriumchloridhaltige Proteinextrakt wird mittels Ultrafiltration in einem Verhältnis von 2:1 bis 12:1, vorzugsweise 4:1 bis 8:1, konzentriert (UF-Retenat), und danach wird in einem ersten Schritt kontinuierlich mittels einer Dosierpumpe eine Diafiltration mit einer 1 - bis 10%igen Natriumchloridlösung in der Weise durchgeführt, daß die zugeführte Menge an Salzlösung der Menge des abfließenden Permeates entspricht (DF-Verhäitnis 1:1 bis 1:10, vorzugsweise 1:2 bis 1:5). In einem zweiten Diafiltrations-Schritt wird wiedorum kontinuierlich mittels einer Dosierpumpe eine Diafiltration di' ohgeführt, wobei als Waschflüssigkeit Wasser verwendet wird (DF-Verhältnis 1:1 bis 1:10, vorzugsweise 1:2 bis 1:5). Aus dem so behandelten Retenat wird durch Sprühtrocknung ein aus Albuminen und Globulinen bestehendes gereinigtes Proteinpräparat gewonnen, das zur Humanernährung geeignet ist

Die Erfindung wird durch folgendes Ausführungsbeir.piel näher erläutert:

Ausführungsbeispiel

Aus 1 kg technischem Rapsextraktionssch: ot (Brass, napus, Var. Sollux) werden mit 101 einer ö%igen Natriumchloridlösung bei 35⁰C und einem pH-Wert von 6,5 unter Rühren (60min) die unter diesen Bedingungen löslichen Proteine (Albumine und die nicht hitzedenaturierten Globuline) extrahiert. Nach einer Fest-Flüssig-Trennung (Zentrifuge) wird der feuchte Rückstand dreimal nacheinander mit 51 Wasser unter Rühren gewaschen und danach getrocknet. Es fällt ein hauptsächlich Kohlenhydrate und Proteine (hitzedenaurierte Globuline und Gluteline) enthaltender Rückstand an, der zur Tierernährung geeignet ist (Zusammensetzung Tab. 1).

Der Extrakt (81, Proteingehalt 2,3%) wird mittels Ultrafiltration (UF) unter Verwendung von CA-Membranen (VEB Zellstoff- und Zellwollewerke Wittenberge) mit einem Retenierungsvermögen für Moleküle mit einem Molekulargewicht > 10000 (alle gelösten Proteine verbleiben im UF-Retenat) in einer UF-Plattenmodulanlage (0,2 m² Filterfläche) auf ein Verhältnis von 6:1 konzentriert. Das dabei resultierende UF-Permeat zeigt gegenüber einer 20%igen Trichloressigsäurelösung, einem Fällungsreagenz für gelöste Proteine, eine negative Reaktion.

11 des UF-Retenates (Proteingehalt 6,1 %) werden ohne Unterbrechung der Ultrafiltration unter Verwendung einer Dosierpumpe kontinuierlich 5%ige Natriumchloridlösung in der Weise zugegeben, daß die zugeführte Elektrolytlösung der Menge des abfließenden Permeates entspricht. Dieser erste Diafiltration !schritt wird so lange fortgeführt, bis das Verhältnis der Gesamtmenge an zugegebener Natriumchloridlösung zur Ritenatmenge 4:1 beträgt. Dem auf diese Weise behandelten Retenat wird in einem zweiten Diafiltrationsschritt ohne Unterbrechung der Ultrafiltration wiederum unter Verwendung einer «Dosierpumpe kontinuierlich Wasser zugegeben, bis das Verhältnis an zugeführter Wassermenge zur Retenatmenge 4:1 beträgt. Eine dabei auftretende feinflockige Globulinausfällung stört den Permeatfluß nicht.

Das auf diese Weise behandelte Retenat (DF-Retenat) wird ohne Unterbrechung der Ultrafiltration auf einen Proteingehalt von 7,2% konzentriert und dcnach sprühgetrocknet. Die Zusammensetzung des resultierenden, Albumine und Globuline enthaltenden Produktes, ist aus Tab. 1 ersichtlich.

Tabelle 1

Zusammensetzung von Rapsproteinprodukten in Abhängigkeit vom technologischen Regime ihrer Gewinnung

Produkt	Extraktions	Produkt	DF-Retenat"
zusammensetzung	schrot,
	technisch	Rückstand"
	31,6		77,6
	17 500		n.n.
Protein [%]	120	24,8	n.n.
Progoitrinlp.'m]	680	n. n.	n.n.
VOTtppml	170	n.n.	n.n.
Butenyl-ITCtppml	370	n.n.	n.n.
Pentenyl-ITC(ppm]	40,9	n.n.	n.n.
Phenylethyl-ITC [ppm]		n.n.
Phytinsäuremg/g	129,0	1,1	n.n.
Produkt
Phytinsäuremg/g	-	4,4	n.n.
Protein
NcCI-Gehalt[%]	n.n.

1) getrocknet

Claims (1)

1. Verfahren zur Gewinnung gereinigter Proteinpräparate aus pflanzlichen thioglykosidhaltigen Rohstoffen, vorzugsweise aus Rapssamen oder deren Verarbeitungsprodukten, durch kombinierte Extraktions-, Separatins-, Erhitzungs- und Membrantrennverfahren, bei denen durch wäßrige Extraktion der eingesetzten Rohstoffe und nachfolgende Feststoff-Flüssigkeitstrennung proteinhaltige Extrakte gewonnen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktion mittels Alkali- oder Erdalkalisalzlösungen, vorzugsweise Natriumchloridlösung, erfolgt, die proteinhaltigen Extrakte einem Membrantrennprozeß unterworfen werden, bei dem durch Ultrafiltration eine Konzentrierung der Extrakte vorgenommen wird, danach den resultierenden UF-Retenaten während der Ultrafiltration periodisch oder kontinuierlich in einem ersten Schritt wäßrige Alkali- bzw. Erdalkalisalzlösungen zugeführt werden und in einem zweiten Schritt Wasser zugeführt wird und nach Entfernung der ar'tinutritiven Verbindungen sowie der zugesetzten Alkali- oder Erdalkalisalze mit dem Permeat weiter konzentriert und gegebenenfalls das die gereinigten Proteine enthaltende DF-Retenat getrocknet wird.

   Anwendungsgebiet der Erfindung