DD287732A5 - Verfahren zur herstellung maltose- und maltotriose-reicher hydrolysate - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung maltose- und maltotriosereicher Hydrolysate. Nach dem erfindungsgemaeszen Verfahren werden maltose- und maltotriosereiche Hydrolysate durch enzymatischen Abbau kornfoermiger Staerken oder von Staerkepartialhydrolysaten mittels einer alpha-Amylase, die von bestimmten Staemmen des Microorganismus Thermoactinomyces vulgaris (IMET 9512 und IMET 9517 (DD-WP 225 711) gebildet wird, hergestellt. Die Hydrolyse wird bei p H-Werten von 4 bis 7, vorzugsweise 5,0 bis 5,8 und im Temperaturbereich von 50 bis 75C, vorzugsweise 54 bis 70C durchgefuehrt, bis die gewuenschte Zusammensetzung erreicht ist oder keine quantitativen und qualitativen Veraenderungen mehr auftreten.{Maltosesirup; maltose- und maltotriosereiches Hydrolysat; Staerkehydrolysat; Partialhydrolysat; kornfoermige Staerke; Thermoactionomyces vulgaris; alpha-Amylase; enzymatische Staerkehydrolyse}

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung maltose- und maltotriosereicher Hydrolysate durch enzymatische Hydrolyse von Stärke oder stärkehaltigen Rohstoffen zwecks Anwendung oder Weiterverarbeitung für Lebensmittelzwecke.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Maltose- und maltotrioseenthaltande Sirupe erhalten zunehmende Bedeutung für die Lebensmittelindustrie, da sie gegenüber herkömmlichen Glucosesirupen geringere Hygroskope, niedrigere Lösungsviskosität, reduzierte Bräunungsneigung, milde Süße und vemiinderto Kristallisationsneigung aufweisen.

Das hat zur Entwicklung zahlreicher Herstellungsverfahren, vorrangig auf der Basis von Mais- und Kartoffelstärke geführt. Hauptsächlich erfolgt die Herstellung nach einem homogenphasigen zweistufigen Prozeß:

1. Verflüssigung der Stärke mit alpha-Amylase oder Säure.

2. Verzuckerung des Partialhydrolysates mittels eines maltosebildenden Enzyms, unter Umständen in Gegenwart eines entzweigenden Enzyms.

Für die Verflüssigung hat sich das Arbeiten mit thermostabiler alpha-Amylase bei Temperaturen über 100⁰C durchgesetzt. Die nachfolgende Verzuckerung wird allgemein bei Temperaturen um 50-€0°C durchgeführt, wobei ß-Amylasen pflanzlichen oder mikrowellen Ursprungs bzw. Pilz-alpha-Amylasen zugesetzt werden. Alternativ sind auch Verfahren vorgeschlagen worden, die den apparativ und energiesei'ig aufwendigen Hochtemperaturverflüssigungsprozeß umgehen, indem Stärken im kornförmigen Zustand bni Temperaturen die innerhalb ihres Quellungsbereiches liegen durch alpha-Amylase mit nachfolgender oder auch gleichzeitiger Zugabe eines maitogenen Enzyms direkt in maitotriosereiche Hydrolysate umgewandelt werden (z. B. DE-OS 25^5172 bzw. US-PS 4113509). Vorzugsweise wird der Piozeß in ? Stufen durchgeführt, da im allgemeinen die Wirkungsoptima (pH-Wert, Temperatur) der bakteriellen alpha-Amylase und des maitogenen Enzyms (ß-Amylase, Pilz-alpha-Amylase) nicht zusammenfallen, was die Effektivität eines einstufigen Prozesses sehr beeinträchtigt. Ein überraschend einfaches Verfahren wird vorgeschlagen. Das allerdings auf spezielle Stärkearten (Tritlceen) beschränkte Verfahren führt bei ausschließlicher Verwendung von Bakterien alpha-Amylase wie (Bac. subtilis, Bac. Licheniformis) zu maltose- und maltotriosereichen Hydrolysaten, wenn nach einem hinsichtlich Temperatur und Zeit exakt definierten heterogenphasigen Hydrolysenregime gearbeitet wird. Es tat jedoch nicht universell anwendbar, z. B. für Kartoffelstärke oder Maisstärke. Für den Siruphorsteller wäre es ein großer Vorteil, wenn er ein Enzym zur Verfügung hätte, das er je nach Rohstoffqualität (Art und Reinheitsgrad der Stärke) oder in Abhängigkeit vcm Bedarf an Kuppelprodukten (z. B. Bindemittclherstellung aus dem heterogenphasigen Hydrolysenrückstand) wahlweise zur Verzuckerung eines Partialhydrolysats oder zur direkten' "erflüssigung und gleichzeitiger Verzuckerung von kornförmigen Stärken einsetzen könnte. Ein Enzym, das derart universell zur Gewinnung von maltose- und maltotriosereichen Hydrolysaten verwendbarst, ist bisher nicht bekannt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein einfaches, möglichst universell einsetzbares Verfahren zur Herstellung von maltose- und maltotrioserelchen Hydrolysates die sich vorzugsweise für die Anwendung in der Lebensmittelindustrie eignen, aus Stärkebzw. Stärkerohstoffen bereitzustellen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die speziellen Verfahrensbedingungen für die Herstellung solcher maltose- und maltotriosereicher Hydrolysate aufzuzeigen.

Überraschenderweise hat es sich gezeigt, daß maltose- und maltotriosereiche Sirupe direkt aus kornförmigen Stärken oder aus Partialhydrolysaten unabhängig von der verwendeten Stärkeart herstellbar sind, wenn als Enzym ein alpha-amylolytisches Präparat von Thermoactinomyces vulgaris, erhalten durch Kultivation von Stämmen des Mikroorganismus Thermoactinomyces vulgaris und/oder deren Mutanten, vorzugsweise der in der Hinterlegungsstelle im Zentralinstitut für Mikrobiologie und experimentelle Therapie unter IMET 9512 und IMET 9517 hinterlegten Stämme, eingesetzt wird. Die Rahmenbedingungen für den Abbau der kornförmigen Stärke oder von Partialhydrolysaten werden so gewählt, daß der pH-Wert während der Reaktion zwischen 4 und 7 vorzugsweise 5,0-5,8 gehalten wird und die Temperatur bei einer oder mehreren Stufen zwischen 5O⁰C und 75⁰C vorzugsweise, 54⁰C und 7O⁰C, eingestellt wird.

Im Falle des heterogenphasigen Prozesses werden die kornförmige Stärke, Wasser und eine definierte Menge Thermoactinomycos vulgaris alpha-Amylase auf eine Temperaturerwärmt, die im Quellungsbereich der jeweiligen Stärke liegt, gegebenenfalls stufenweise weitererwärmt und schließlich bei einer Hydrolysentemperatur so lange belassen, bis die Trockensubstanz im löslichen Hydrolysat bzw. der Reduktionswert nicht weiter ansteigt. Das Hydrolysat wird anschließend von nicht umgesetzter Stärke in an sich bekannter Weise abgetrennt und gegebenenfalls nach üblicher Reinigung mittels Aktivkohle und eonenaustauscherharzen zum haltbaren lirup mit S 80 Masse in % konzentriert.

Bei dieser Verfahrensvariante erfüllt die Thermoactinomyces vulgaris alpha-Amylase gleichzeitig die Funktion des verflüssigenden und verzuckernden Enzyms.

Im Falle der homogenphasigen Umsetzung wird das in bekannter Weise durch Säurehydrolyse oder/und alpha-Amylaseabbau oberhalb des Quellungstemperaturbereiches erhaltene Partialhydrolysat, das im allgemeinen einen DE-Wert < 30% aufweist in dem genannten Temperatur- und pH-Wert-Beroich mit einer definierten Menge Thermoactinomyces vulgaris alpha-Amylase behandelt, bis sich der Reduktionswert nicht mehr ändert oder die gewünschte Zusammensetzung des Hydrolysates erreicht ist.

Reinigung und Aufarbeitung erfolgen gegebenenfalls in der bereits beschriebenen Weise.

Natürlich sind auch höherkonvertierte Partialhydrolysate, z. B. Säurehydrolysate mit DE 40-42% durch Thermoactinomyces vulgaris alpha-Amylase, gegebenenfalls auch in Gegenwart von Glucoamylase, in bekannter Weise zu den sogenannten .high conversion syrups" mit DE-Werten um 65% umwandelbar.

Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bekannten maltogenen Enzymen ist die Möglichkeit heterogen- wie auch homogenphasig bei 70-75⁰C zu arbeiten, wodurch die Gefahr der mikrowellen Fremdinfektion vermindert wird.

Für die Umsetzung zu maltose- und maltotriosereichen Hydrolysates mittels Thermoactinomyces vulgaris alpha-Amylaso im Sinne der beiden Verfahrensvarianten sind Stärken aus Cerealien, Wurzeln, Knollen und Leguminosen gleichermaßen geeignet.

In Abhängigkeit von den gewählten Verfahrensbedingungon werden im allgemeinen Hydrolysate mit Maltosegehalten zwischen 40 und 65% und einem Maltotrioseanteil von 12 bis 25% erhalten, während der Glucosegehalt zwischen 1 und 12% liegt. Die Bildung von Hydrolysaten mit niedrigeren Maltosegehalten zwischen 25 und 40% bei gleichzeitig relativ hohem Maltotrioseanteil von 20 bis 25% ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls möglich. Das Maltose/Maltotriose-Verhältnis liegt in jedem Fall zwischen 1:0,3 und 1:0,9. Die Herstellung von Hydrolysaten mit sehr geringem Glucosegehalt < 5% ist eine bevorzugte Ausführungsform des heterogenphasigen Abbaus, während Produkte mit höheren Glucosegehalten besonders vorteilhaft durch Hydrolyse von Partialhydrolysaten erhalten werden. Die Erfindung soll an folgenden Ausführungsbeispielen näher erläutert werden:

Beispiel 1

706g Weizenstärke (Handelsstärke des VEB Weizeüin Dresden, mit 15% Feuchteanteil) und 3,2g Calciumchlorid (CaCI₂ χ H₂O) werden in 1200ml Wasser suspendiert, der pH-Wert der Suspension auf 5,5 eingestellt und dazu 12g Thermoactinomyces vulgaris alpha-Amylase-Konzentrat (TVLA) mit 690 Einheiten/g hinzugefügt.

Die a-Amylaseaktivität wurde nach 3minütiger Hydrose einer 2%igen Zulkowskistärkelösung bei pVl 5,5 und 45⁰C mit einer definierten Mengo TVLA durch Bestimmung der reduzierenden Zucker mittels 3,5-Dinitrosalicylsäure ermittelt. Eine Einheit a-Amvlase ist dieEnzymmenge, die unter den genannten Bedingungen 1 Mmol Maltose pro min freisetzt.

Nach Ergänzung der Gesamtmasse der Suspension mit Wasser auf 2000g wird diese unter ständigem Rühren mit einer Geschwindigkeit von 1 K/min zunächst auf 54⁰C erwärmt, 1,5h dabei belassen, anschließend auf 58⁰C hocherhitzt und 3h bei dieser Temperatur gehalten. Schließlich wird auf 64⁰C eingestellt und 48h dabei belassen. Danach wird die Suspension zentrifugiert, der Rückstand wird im Verhältnis 1:1 mit Wasser gewaschen und ein zweites Mal mit der halben Menge Wasser gewaschen. Die Ausbeute an löslichem Material liegt bei 66,5 Masse in%. Der Maltosegehalt beträgt 54,5%, der Maltotrioseanteil 20,5% und der Glucosegehalt 4,3%.

Beispiel 2

750g Kartoffelstärke (VEB Stärkefabrik Kyritz) mit einem Feuchteanteil von 20,0% werden analog Beispiel 1 umgesetzt, mit dem Unters( hied, daß Haltestufer bei 54 und 58⁰C entfallen und daß eine Ha'testufe von 90 min bei 60⁰C und eine 2. Haltestufe von 2 h bei 64⁰C festgelegt wird, danach aber auf 70"C erwärmt und bei dieser Temperatur für 24 h bzw. 48 h belassen wird. Die Aufarbeitung erfolgt wie in Beispiel 1 beschrieben.

Folgende Ergebnisse werden erhalten:

24h 48h

Ausbeute (Masse in %) 70,1 74,0

Glucose (%) 4,1 5,8

Maltose (%) 40,2 52,3

Maltotriose(%) 19,2 17,9

>DP6(%) 22,6 13,2

Beispiel 3

2,51 technisches Vorhydrolysat der Maisstärkekonversion (Säure-Enzym-Verfahren/VEB Maisan Barby) mit einem Trockensubstanzgehalt von 32,0% und einem DE-Wert von 18,2 % werden auf 55⁰C temperiert und der pH-Wert mittels 0,1 N Natronlauge auf 5,5 eingestellt. Danach wird TVLA-Konzentrat in einer Menge hinzugefügt, die 20g/kg Trockensubstanz entsprechen. Die Hydrolyse wird bei 55⁰C über 72 h durchgeführt.

Der Maltosegehalt des Hydrolysates beträgt 52,1 %, dor Maltotrioseanteil 17,2% und der Glucosegehalt 10,7%.

Beispiel 4

1,01 Vorhydrolysat der technischen Konversion Slurehydrolysa von Kartoffelstärke (VEB Starkefabrik Kyritz) mit einem Trockensubstanzgehalt von 39,5% und einem DE-Wert von 13,0% werden auf 7O⁰C temperiert und der pH-Wert mittels 0,1 N Natronlauge auf pH 6,5 eingestellt. Anschließend wird TVLA-Konzentrat hinzugefügt, in einer Menge, die 10 g/kg Trockensubstanz entspricht und 72h bei 70°C hydrolysiert. Das Endhydrolysat, das einen DE-Wert von etwa 43% aufweist, besteht zu 51,0% aus Maltose, 22,0% Maltotriose, 9,0% Glucose und nur zu 8,5% aus Oligomeren > DP

Beispiel 5

1,01 Vorhydrolysat entsprechend Beispiel 4 werden auf 55⁰C temperiert und der pH-Wert mittels 0,1 N Natronlauge auf pH = 5,5 eingestellt. Anschließend wird TVLA-Konzentrat hinzugefügt In einer Menge, die 5g/kg Trockensubstanz entspricht und 72 h bei 55⁰C hydrolysiert. Das Endhydrolysat, das einen DE-Wert von etwa 38% aufweist, besteht zu 26,0% aus Maltose, 22,8% Maltotriose, 7,5% Glucose und zu 22,4% aus Oligomeren > DP

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung maitose- und maltotriosereicher Hydrolysate durch enzymatisch^ Hydrolyse von Cerealien-, Knollen-, Wurzel- oder Leguminosenstärken bei Einsatzkonzentrationen der jeweiligen Stärke zwischen 25 und 50% Trockensubstanz, vorzugsweise 30 bis 40%, pH-Werten zwischen 4 bis 7, vorzugsweise 5,0 bis 5,8 sowie einem vorgegebenen Temperaturregime, dadurch gekennzeichnet, daß als Enzym ein alpha-amylolytisches Präparat von Thermoactinomyces vulgaris erhalten durch Kultivation von Stämmen des Mikroorganismus Thermoactinomyces vuigaris und/oder deren Mutanten, vorzugsweise der in der Hinterlegungsstelle im Zentralinstitut für Mikrobiologie und experimentelle Therapie unter IMET 9512 und IMET 9517 hinterlegten Stämme, eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Hydrolyse ein Temperaturregime eingehalten wird, bei dem im Temperaturbereich von 50 bis 75⁰C, vorzugsweise 54 bis 7O⁰C eine oder mehrere Haltestufen gelegt werden, während der die Temperatur konstant gehalten wird und dabei mindestens eine Haltestufe festgelegt wird, die über einen Zeitraum von 12 bis 96 h, vorzugsweise 24 bis 72 h, aufrechtzuerhalten ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet- daß kornförmige Stärke direkt hydrolysiert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Säure und/oder alpha-Amylaseabbau gebildetes Partialhydrolysat mit einem DE-Wert <30% hydrolysiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gebildeten Hydrolysate Maltosegehalte zwischen 25 und 65%, vorzugsweise 45 bis 60%, Maltotriosegehalte von 12 bis 25% bei einem Maltose/Maltotriose-Verhältnis von 1:0,3 bis 1:0,9 und Glucosegehalte von 1 bis 12% aufweisen.