DD275609A1

DD275609A1 - Verfahren zur gewinnung von proteinisolaten aus entfetteten oel- und leguminosensamen

Info

Publication number: DD275609A1
Application number: DD31999988A
Authority: DD
Inventors: Joachim Pohl; Gerhard Mieth; Karin Marzilger; Christof Eversmann; Regina Dunkel; Frank-Detlef Wende; Gerald Caspers; Frank Neupert
Original assignee: Thaelmann Schwermaschbau Veb
Priority date: 1988-09-21
Filing date: 1988-09-21
Publication date: 1990-01-31
Also published as: CN1041263A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein abproduktfreies Verfahren zur Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten Oel- und Leguminosensamen, insbesondere Sojabohnen. Erfindungsgemaess werden entfettete Oel- bzw. Leguminosensamenmehle in Gegenwart von Kalziumhydroxid im alkalischen p H-Bereich extrahiert und die Proteine durch Phosphorsaeure aus dem Extrakt praezipitiert, der Ueberstand nach der Proteinseparation wird erhitzt, mit Kalziumhydroxid auf einen alkalischen p -Wert eingestellt, mit dem Waschwasser nach der Proteinisolatwaschung vereinigt und erneut in den Extraktionskreislauf gefuehrt. Diese Kreislauffuehrung ist beliebig oft wiederholbar, ohne dass ein mit loeslichen Sameninhaltsstoffen angereichertes Abwasser entsteht.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Proteinisotaten aus entfetteten Öl· oder Leguminosensamen, insbesondere Sojabohnen, in hoher Ausbeute und mit guten Applikationseigenschaften für die Humanernäherung, ohne daß ein Abprodukt in Form von protein- und kohlenhydratangereichertem Abwasser entsteht.

Charakteristik d«s bekannten Standes der Technik

Bekanntlich werden Proteinisolate aus entfetteten Öl· oder Leguminosensamenmehlen durch wäßrig-alkalische Extraktion der Proteine, Fällung der Hauptproteinfraktion am isoelektrischen Punkt durch Zugabe von Säure zum resultierenden Extrakt nach Abtrennung des unlöslichen Rückstandes, Separatiorrder Präzipitierten Proteine in Proteinpaste und Überstand, Waschung der Proteinpaste mit Wasser am isoelektrischen Punkt mit nachfolgender Separation in gewaschenes Proteinisolat und Waschwasser, Neutralisation des gewaschenen Proteinisolates und Trocknung gewonnen. Ein prinzipielles Problem zur wirtschaftlichen Nutzung des Verfahrens ist der hohe Wasserverbrauch, verbunden mit der Notwendigkeit, den nach der Separation des Proteinisolates anfallenden Überstand zu verwerten. Dafür gibt es verschiedene Möglichkeiten:

- Eindampfen des Überstandes zu Sirup bzw. bis zur vollständigen Trocknung und Verwendung als Viehfutterkomponente. Dieses Verfahren ist wegen des hohen Energieverbrauchs und der hohen Investitionskosten uneffektiv.

- Anaerobe und/oderr aerobe Fermentation zu Biogas oder Biomasse. Auf Grund der relativ hohen Verdünnung mit organisch abbaubarer Substanz (2-3%) und der zu behandelnden Mengen sind große Anlagen ebenfalls mit einem entsprechendem Investitionsaufwand verbunden.

Eine direkte Rückführung des Überstandes nach Vereinigung mit dem Proteinwaschwasser ist nicht möglich, da einmal die Ausbeute an extrahierbarem Protein stark abnimmt und zum anderen der Salzgehalt im Überstand durch den Wechsel der

pH-Bedingungen für die Extraktion (alkalisch) und die Präzipitation (sauer) und der damit zwangsläufigerweise verbundenen

Neutralisationsreaktion zunimmt. Somit ist prinzipieller Nachteil der Verfahrensführung zur Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten Öl- und Leguminosensamen die nur einmalige Verwendung des zur Extraktion eingesetzten Wassers und dessen kosten intensive Entsorgung. Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht in der Entwicklung eines Verfahrens zur Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten Öl· und Leguminosensamen, vorzugsweise Sojabohnen oder Ackerbohnen, mit hohen Ausbeute- und Qualitätskennziffern unter wesentlich effektiveren Bedingungen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahrensbedingungen für die Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten öl- und Leguminosensamen zu schaffen, bei denen keine wäßrige Lösung mehr aus dem Verfahren geführt werden muß. Erfindungsgemäß erfolgt zur Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten Öl- und Leguminosensamenmehlen, vorzugsweise Sojabohnen, die Extraktion der Hauptproteinfraktion durch Einstellung des alkalischen pH-Wertes mittels Kalziumhydroxid und Fällung der Protein am isoelektrischen Punkt nach vorausgegangener Fällung und gegebenenfalls Abtrennung von Kalziumkarbonat und/oder Kalziumphosphat durch Zugabe von Phosphorsäure. Der nach der Proteinseparation anfallende Überstand wird auf 80-150X erhitzt und bei dieser Temperatur wird durch Zugabe von Kalziumhydroxid der Überschuß an Phosphorsäure entfernt. Gleichzeitig werden dabei ein Teil der gelösten, am isoelektrischen Punkt nicht präzipitierbaren Proteine und löslichen Kohlenhydrate mit abgeschieden. Der so behandelte Überstand wird mit dem Waschwasser der Proteinwaschung vereinigt und als Extraktionsmedium für die Proteine in den Extraktionszyklus zurückgeführt. Die Bedingungen für die Extralction der Proteine sind pH 7-9, Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis von 1 ;7 bis 1:12, Temperaturen zwischen 2OX bis 7OX sowie Extraktionszeiten von 5 bis 30min. Wie gefunden wurde, bietet diese Verfahrenstechnologie die Möglichkeit, ohne daß es zur Anreicherung von Salzen des im Kreislauf gefahrenen Extraktionsmittels kommt, Proteinisolat in hohen Ausbeuten und in nach der einfachen Extraktionstechnologie hergestellten adäquater Qualität zu erhalten. So wird z. B. die Proteinlöslichkeit (ausgedrückt durch den NSI-Wert) trotz der Anwesenheit von Kalziumionen nicht negativ beeinflußt, da bei der Präzipitation zunächst bereits im alkalischen pH-Bereich unlösliches Kalziumphosphat ausfällt, so daß Kalziumionen für eine Wechselwirkung mit den präzipitierenden Proteinen nicht mehr in der erforderlichen Konzentration zur Verfugung stehen. In diesem Fall findet sich das schwerlösliche Kalziumphosphat im Proteinprazipitat wieder und verbleibt dort. Die mittels Atomabsorptionsspektroskopie ermittelte Kalziumionenkonzentration im gewaschenen Proteinisolat beträgt 0,34%, wobei zu berücksichtigen ist, daß der originäre Gehalt bei 0,25% liegt.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, die Kalziumionen auch vor der eigentlichen Proteinpräzipitation separat abzuscheiden. Dazu hat sich das Einleiten von gasförmigem Kohlendioxid bis zu einer pH-Absenkung von z. B. 8,0 auf 7,5 bewährt, da in diesem Falle der Anteil an ausgefallenem Protein nur 2% ausmacht Durch nachfolgende Fällung der Proteine mit Phosphorsäure wird ein Proteinisolat erhalten, welches einen Kalziumionengehalt von 0,25%, also den originären Wert, aufweist. Für allgemeine Belange ist diese Verfahrensweise der sukzessiven Fällung, einschließlich der zweistufigen Separation von Kalziumphosphat oder -carbonat und Protein, jedoch nicht erforderlich, da die Qualitätsanforderungen an das Proteinisolat internationalen Empfehlungen genügen.

Für die pH-Wert-Einstellung benötigte Kalziumionen können auch in Form von Kalziumoxid oder Kalkwasser hinzugefügt werden. Unwesentlich dabei ist, ob die Kalziumoxid· oder -hydroxidzugabe in fester Form oder als Suspension erfolgt Wesentlich für die Erfindung ist das Erhitzen des Überstandes, der in das Verfahren zur Extraktion zugeführt wird. Durch die Erhitzung wird nämlich der sonst im Überstand akkumulierte Trypsin-Inhibitor inaktiviert, weiterhin ist damit eine Sterilisation verbunden. Unterbleibt die Erhitzung, so steigt kontinuierlich die Trypsin-Inhibitor-Aktivität im Endprodukt an. Bewährt hat sich eine kurzzeitige Erhitzung, z. B. durch Dampfinjektion, auf 100X. Erfolgt in der Wärme die Zugabe des Kalziumhydroxids zwecks Einstellung des für die nachfolgende Extraktion erforderlichen pH-Wertes von 8,0 so ist damit gleichzeitig eine Ausfällung der überschüssigen Phosphorsäure aus der Proteinpräzipitation verbunden. Der voluminöse Niederschlag reißt dabei einen Teil gelöster organischer Samenmehlinhaltsstoffe mit, so daß sich der Trockensubstanzgehalt im Überstand um etwa 20-30% reduziert. Eine Separation dieses Niederschlages ist nicht erforderlich, da er in der folgenden Extraktionsstufe gemeinsam mit dem unlöslichen Rückstand abgetrennt werden kann. Der so nach der Erhitzung und Zugabe von Kalziumhydroxid behandelte heiße Überstand (95X) wird mit dem etwa 20X warmen Proteinwaschwasser gemischt und die Mischung steht für die folgende Extraktion des entfetteten Samenmehles bereit Durch die Vermischung mit dem Samenmehl resultiert die für eine maximale Extraktion notwendige Temperatur von 5OX, so daß keine zusätzlichen Aufwendungen für den Gesamtenergiebedarf erforderlich sind. Die Proteinwaschung wird in einem solchen Waschflottenverhältnis bei pH 4,5 durchgeführt, daß das Extraktionsmitteldefizit, welches durch gebundenes Wasser an aus dem Verfahren austretendem unlöslichem Rückstand und Proteinisolat bedingt ist, ausgeglichen werden kann. In der Regel wird sich in Abhängigkeit von der Separationstechnik der Proteinisolate ein Waschflottenverhältnis von 1:4 bis 1:6 einstellen. Im Verlauf der Extraktionen stellt sich in dem Überstand nach dessen Erhitzung und Zugabe von Kalziumhydroxid bereits nach der 4. Kreislaufführung ein konstanter Wert für gelöste Sameninhaltsstoffe-berechnet als Trockensubstanz- von 7,0 bis 7,5%ein. Nach der Vermischung mit dem Proteinwaschwasser erniedrigt er sich auf etwa 4%.

Nach diesem Verfahrensprinzip hergestelltes Proteinisolat besitzt, unabhängig von der Anzahl bereits durchgeführter Kreisläufe, einen Proteingehalt in der Trockensubstanz von 90-92% bei nahezu vollständiger Erhaltung der Proteinlöslichkeit. Die NSI-Werte im neutralisierten Proteinisolat liegen zwischen 95 und 100%. Die Proteinausbeuten liegen ebenfalls, unabhängig von der Kreislaufführung, bei einmaliger Extraktion im vergleichbaren Bereich wie bei der allgemein durchgeführten Extraktionstechnologie durch Verwendung von Natronlauge und Salzsäure für Proteinextraktion und -fällung. Mittels der erfinderischen Lösung ist somit ohne Einschränkung sowohl in qualitativer als auch in quantitativer Hinsicht Proteinisolat gewinnbar, wobei der große Vorteil darin besteht, daß Abwasser nicht anfällt. Durch die dann nicht mehr erforderliche kostenintensive Entsorgung des Überstandes werden die Mehraufwendungen für den höheren Preis der Phosphorsäure gegenüber der üblicherweise verwendeten Salzsäure mehr als ausgeglichen. Weiterhin ist als Vorteil gegenüber bisher bekannten Verfahren die Verringerung des Wasserverbrauches und die Verhinderung der Korrosion von Ausrüstungen zu

nennen. Die normalerweise verwendete Salzsäure macht infolge des sogenannten Lochfraßes den Einsatz hochveredelter Stähle erforderlich. Demgegenüber bildet Phosphorsäure mit Eisenteilen eine schwerlösliche Eisenphosphatschicht die vor weiterer Korrosion schützt.

Aus ernährungsphysiologischer Sicht ist noch hervorzuheben, daß es mit diesem Verfahren gelingt, kochsalzarme oder -freie Proteinisolate zu gewinnen, da während der Extraktion weder Natrium· noch Chloridionen zugegen sind. Die Neutralisation kann gegebenenfalls auch durch andere Lösungen als Natronlauge erfolgen, so daß die Endprodukte aus diätetischer Sicht für besondere Applikationsfälle wertvoller sind als die nach herkömmlicher Technologie gewonnenen.

Ausführungsbeispiele Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Ausführungsbeispiel 1

100 kg entfettetes Sojabohnenmehl mit einem NSI-Wert von 75 werden zunächst in 900I Wasser suspendiert und auf 5O⁰C erwärmt. Die Suspension wird mit Kalziumhydroxidsuspension auf einen pH-Wert von 8,0 eingestellt. Die Extraktionszeit beträgt 20min. Danach wird vom unlöslichen Rückstand mittels Dekanter separiert und der Extrakt mittels Tellerseparator von nicht abgetrennten Feststoffen befreit. Aus dem resultierenden geklärten Extrakt wird durch Zugabe von 20%iger Phosphorsäure präzipitiert. Der proteinreiche Niederschlag wird mittels Düsenseparator abgetrennt und es resultiert ein Überstand und ungewaschenes Proteinisolat. Der Überstand wird durch direkte Dampfinjektion auf 90⁴C erwärmt, dann erfolgt die Zugabe von Kalziumhydroxidsuspension, bis ein pH-Wert von etwa 8,0 erreicht ist Das ausgefällte Proteinisolat wird im Verhältnis 1:5 mit kaltem Wasser bei pH4,5 gewaschen und separiert. Das etwa 2OX aufweisende Waschwasser wird mit dem behandelten Überstand vermischt und in dieser Extraktionslösung wird erneut entfettetes Sojabohnenmehl suspendiert. Der pH-Wert wird durch Zugabe von Kalziumhydroxidsuspension auf 8,0 eingestellt und danach wird wie oben beschrieben weiterverfahren. Dieser Kreislauf ist beliebig oft wiederholbar. Das gewaschene Proteinisolat wird zwecks Neutralisation mittels Natronlauge auf pH7,0 eingestellt, gegebenenfalls sterilisiert und anschließend sprühgetrocknet. Über die Ausbeuten, Fraktionsverteilung und Qualitätscharakteristika beim 1., 4. und 12. Kreislauf unterrichtet die Tabelle 1.

Ausführungsbeispiel 2

100 kg entfettetes Sojabohnenmehl werden gemäß Beispiel 1 behandelt. In den ach der Abtrennung der unlöslichen Feststoffe, resultierenden Extrakt wird Kohlendioxid eingeleitet, bis der pH-Wert 7,5 beträgt. Das Präzipitatwird mit einem Klärseparator abgetrennt, aus dem Extrakt werden mittels Phosphorsäurezugabe die Proteine präzipitiert und durch einen Düsenseparator abgetrennt. Der Überstand wird wie im Beispiel 1 aufgearbeitet und in den Kreislauf zurückgeführt. Der Proteingehalt der Trockenmasse des Proteinisolates beträgt nach dem 15. Kreislauf 92,5% und der Kalziumionengehalt 0,25% im Gegensatz zum Beispiel 1 mit 0,34%.

Tabelle 1	Fraktion	Menge	Protein	(%)	Trocken	NSI	TIA
Kreis		(kg)	abs.	rel."	masse (%)	l%)	mgg"¹
lauf					abs.
	Extrakt	700	3,98	61,3
1	Überstand vor
	Behandlung	580	0,64	9,9	3,47
	nach Behandlung	580	0,46	7,0	2,78
	Waschwasser	320	0,15	1,0
	Proteinisolat	32	91,2²¹	51,4		100	43,7
	Extrakt	700	4,53	61,4
4	Überstand vor
	Behandlung	580	1,30	18,3	7,34
	nach Behandlung	580	1,02	14,3	6,72
	Waschwasser	320	0,18	1,1
	Proteinisolat	31	90,8²¹	50,3		100	41,3
	Extrakt	700	4,82	66,2
12	Überstand vor
	Behandlung	580	1,44	19,8	7,62
	nach Behandlung	580	1,04	14,2	7,00
	Waschwasser	320	0,18	1,1
	Proteinisolat	32	91,8²¹	52,5		99,2	32,2

1 bezogen auf den Proteingehalt des Sojabohnenmehles.

2 bezogen auf die Trockenmasse.

Claims

1. Verfahren zur Gewinnung von Proteinisolaten aus entfetteten Öl- und Leguminosensamen durch Extraktion der Proteine im alkalischen pH-Bereich, Prä2ipitation der Hauptproteinfraktion am isoelektrischen Punkt, Waschung der präzipitierten Proteine mit Wasser und anschließender Neutralisation und Trocknung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des alkalischen pH-Bereiches des wäßrigen Extraktionsmediums für die Extraktion der Proteine durch Zugabe von Kalzium hydroxid oder Kalziumoxid und die Fällung der Proteine, nach vorausgegangener Fällung und Abtrennung von Kaliumcarbonat und/oder Kalziumphosphat, am isoelektrischen Punkt vorgenommen wird, der Überstand nach Separation oder präzipitierten Proteine auf 80-150⁰C erhitzt und bei dieser Temperatur durch Zugabe von Kalziumhydroxid oder Kalziumoxid der Überschuß Phosphorsäure entfernt wird, wobei ein Teil der gelösten, am isoelektrischen Punkt nicht präzipitierbaren Proteine und löslichen Kohlenhydrate mit abgeschieden werden und der so behandelte Überstand mit dem Waschwasser der Proteinwaschung vereinigt und als Extraktionsmedium für die Proteine in den Extraktionszyklus zurückgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Extraktion der Proteine bei pH-Werten von 7 bis 9, bei Temperaturen von 20°C bis 70"C, Verweilzeiten von 5 bis 30 Minuten und bei einem Feststoff-Flüssigkeitsverhältnis von 1:7 bis 1:12 erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zugabe von Kalziumhydroxid oder Kalziumoxid in fester Form oder als Suspension erfolgt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzipitation sukzessive erfolgt und dabei zunächst durch Zugabe von Kohlendioxid bis zur Erniedrigung des pH-Wertes auf 7,5 ausgefälltes Kalziumcarbonat abgetrennt wird und anschließend durch Phosphorsäurezugabe die Präzipitation der Proteine am isoelektrischen Punkt erfolgt.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Präzipitation der Kalziumionen gemeinsam mit dem Protein durch Zugabe von Phosphorsäure erfolgt und das Präzipitat abgetrennt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Überstand nach Erhitzung und Zugabe von Kalziumhydroxid oder Kalziumoxid vom ausgefällten Präzipitat abgetrennt un'd anschließend mit dem Waschwasser der Proteinwaschung vereinigt wird.